微型揚聲器及其製造方法

2023-10-21 20:42:47 4

專利名稱：微型揚聲器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種揚聲器，且特別是涉及一種微型揚聲器及其製造方法。
背景技術：
揚聲器(speaker)的發聲原理是通過電信號的產生來觸動振膜而產生聲音或音 樂，並可應用於手機、筆記型電腦、個人數字助理、數字相機、平面電視等等消費性電子產 品。在產業追求輕薄短小及多功能化的產品發展趨勢下，為了提高產品的市場競爭力，產業 界皆希望應用先進技術來開發及製造揚聲器。揚聲器的原理可約略分為動圈式、壓電式、及靜電式等三種。動圈式揚聲器目前使 用最廣，技術成熟，不過由於其先天架構的缺點，並無法將體積扁平化。傳統靜電式揚聲器的作用原理是將兩片開孔的固定電極板挾持導電振膜形成一 種電容器，通過供給振膜直流偏壓以及給予兩個固定電極音頻的交流電壓，利用正負電場 所發生的靜電力，帶動導電振膜振動，並將聲音傳播出去。傳統靜電式揚聲器的偏壓需達上 百或上千伏特，因此需要外接高單價及龐大體積的擴大機，是其無法普及的原因。壓電式揚聲器是利用壓電材料的壓電效應，當附加一個電場於壓電材料所造成材 料變形的特性，用來推動震動薄膜發聲，此揚聲器雖然結構扁平微小化，但限於壓電材料需 要進行燒結，所以仍無法進行撓曲。參考現有揚聲器的技術，例如美國第7，170，822號專利，即揭露一種分層壓 電式轉換器及其 造方法(Laminated piezoelectric transducer and method of manufacturing the same)。請參見圖la。圖la繪示分層壓電式轉換器100的上、下層為 金屬圓盤102，其厚度為0. 005英時，中間層為壓電圓盤104，形成圓盤結構101以增加振 幅。再由圖Ib所繪示分層壓電式轉換器100的上、下層墊圈106做為封裝，可成為分層壓 電式轉換器封裝105。接著加上橡膠墊圈108使成為腔體，如圖Ic所繪示。此前案的特色 在於，分層壓電式轉換器可利用腔體來增加音壓及提升聲音的清晰度。並可成為應用於水 下的揚聲器。然而，因其僅使用單面壓電陶瓷驅動振膜，以致於有聲壓不足的現象，另外因 為不具備可撓性(Flexible)，因此也限制了應用的範圍。在美國第5，805，726號專利中，揭露一種壓電式全頻域揚聲器(Piezoelectric full-range loudspeaker)。請參見圖2a和圖2b。圖2a繪示壓電式全頻域揚聲器200的 剖視圖。圖2b繪示壓電式全頻域揚聲器200的俯視圖。此揚聲器由兩片合金金屬片202 中間夾一個阻尼片204，並在合金金屬片202外側設置壓電片206所組合而成的發聲單元， 合金金屬片202與壓電片206上各向外設置導線208，在導線上通以電流即可發出聲音。此 專利案的特色在於利用阻尼來得到更佳的聲音保真度，且具備了小型化、高傳真、省電、以 及不受電磁波幹擾的優點。可應用於小型手提式電子發聲產品。然而，此技術的製作工藝 相當複雜，而且成本也非常高。除此之外，因為使用單面壓電片驅動複合層結構振膜，會產 生聲壓不足的現象，而且因為無可撓性，也因此限制了其應用的範圍。在美國第4，439，640號專利中，揭露一種壓電式揚聲器(Piezoelectricloudspeaker)。請參見圖3a。圖3a繪示壓電式揚聲器300由壓電陶瓷圓盤302與金屬圓 盤304作為振動來源，再將振膜306結合於其上方，而中央為腔體310，以完成發聲系統。左 右利用支架308固定。圖3b其為改良式壓電式揚聲器300A的結構圖，在其上方多結合圓 盤薄膜312與支架308。圖3c繪示壓電式揚聲器300與改良式壓電式揚聲器300A的頻率 響應曲線。曲線Cl和C2分別代表壓電式揚聲器300與改良式壓電式揚聲器300A的表現。可以發現此專利所揭露的改良式壓電式揚聲器300A結構，其穩定性較壓電式揚 聲器300好，而低頻表現上也較優異。而此專利的特色在於使用壓電陶瓷作為振源，使振幅 較一般壓電材料大。並可應用於非可撓式電子產品上。然而，此專利因為使用單面壓電陶 瓷片驅動複合層結構振膜，因此也是存在聲壓不足的現象，而且因為無可撓性，所以限制了 應用的範圍。美國第7，166,952 號專利，揭露一種壓電式結構(Piezoelectric structures)。 請參見圖4a、4b。圖4a繪示壓電式結構400的俯視圖。圖4b繪示壓電式結構400的剖視 圖。此專利案利用壓電材料正負電極，固定至塑性材料的皺褶410，以達更大的振幅。其特 色在於利用皺摺410、上部的分離電極412和下部的連續電極414的效應特性使振幅提升。 然而，此專利所提出的製作工藝相當複雜，而且成本相當高，而且使用壓電條驅動皺褶結構 振膜，也會有聲壓不足。

發明內容
本發明的目的在於提供一種微型揚聲器及其製造方法，具有改善微型揚聲器在低 頻聲壓不足的現象，且具有可撓性的特性。本發明提供一種具有三明治結構的微型揚聲器，此三明治結構包括第一環型壓電 材料、第二環型壓電材料和薄膜(Diaphragm)，其中此薄膜介於第一環型壓電材料與第二環 型壓電材料之間。在一實施範例中，本發明所提出微型揚聲器，包括第一壓電材料層、第二壓電材料 層與一振膜。此振膜介於第一壓電材料層與第二壓電材料層之間。此振膜的周邊區域為第 一壓電材料層與第二壓電材料層所夾持，而振膜的中間區域作為微型揚聲器輸出聲音的工 作區域。在一實施範例中，本發明所提出微型揚聲器的製造方法，包括提供一壓電材料，並 形成上下表面具有金屬電極的兩壓電材料層。將此兩壓電材料層切割形成具有鏤空的第 一壓電材料層與第二壓電材料層。結合第一壓電材料層、一振膜與第二壓電材料層以形成 一三明治結構，其中振膜與介於第一壓電材料層與第二壓電材料層之間，而此振膜的周邊 區域為第一壓電材料層與第二壓電材料層所夾持。而振膜的中間區域通過第一壓電材料層 與第二壓電材料層的鏤空區域作為微型揚聲器輸出聲音的工作區域。為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附附圖 作詳細說明如下。


圖Ia Ic繪示一種現有分層壓電式轉換器的結構與其分層封裝示意圖；圖2a繪示一種現有壓電式全頻域揚聲器的剖視5頻域揚聲器的上視圖3a繪示一種現有壓電式揚聲器的結構剖面示意圖3b繪示另一種現有改良式壓電式揚聲的結構剖面示意圖3c繪示圖3a與3b的壓電式揚聲器與改良式壓電式揚聲器的頻率響應曲線；
圖4a繪示一種現有壓電式結構的上視示意圖4b繪示圖4a的壓電式結構的剖視示意圖5a繪示本發明的實施例的微型揚聲器結構的上視示意圖5b繪示本發明的實施例的微型揚聲器結構的剖面示意圖6a h是依照本發明的實施例的微型揚聲器的製造方法剖面示意圖7是現有單一圓盤型壓電式激振器與本發明實施例的雙層環型壓電材料的聲壓比較示意圖8是PZT揚聲器與PVDF-PDMS揚聲器的頻率響應曲線。
主要元件符號說明
100分層壓電式轉換器
101圓盤結構
102金屬圓盤
104壓電圓盤
105封裝
106墊圈
108橡膠墊圈
200壓電式全頻域揚聲器
202合金金屬片
204阻尼片
206壓電片
208導線
300壓電式揚聲器
300/改良式壓電式揚聲器
302壓電陶瓷圓盤
304金屬圓盤
306振膜
308支架
310腔體
400壓電式結構
410皺褶
412分離電極
414連續電極
500本發明的一實施例的微型揚聲器
501環型壓電材料
502薄膜
503:輸入電極504 接地電極602、602A :PVDF 膜604、604A —層銀電極605 環型 PVDF 結構606:玻璃片608 一層脫模劑610:PDMS 膜611:PDMS 複合結構6a h 本發明的一實施例的微型揚聲器製造流程的示意
具體實施例方式本發明提供一種微型揚聲器及其製造方法，具有改善微型揚聲器在低頻聲壓不足 的現象，且具有可撓性的特性。在一實施範例中，本發明提供一種具有三明治結構的微型揚聲器，此三明治結構 包括兩層壓電材料層與介於中間的薄膜(Diaphragm)。本發明所提出具有三明治結構的微型揚聲器，其壓電材料層可以是可撓性壓電薄 膜。此可撓性壓電薄膜可以是例如聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride，PVDF)、鋯 鈦酸鉛陶瓷(Composite PZT)其中之一或其組合。在一實施範例中，本發明所提出具有三 明治結構的微型揚聲器，其壓電材料層外型例如可以是環型外型，或其他外型。本發明所提出具有三明治結構的微型揚聲器，作為揚聲器振膜的薄膜，可採用 可撓性振膜。而此可撓性振膜的材料可採用例如高分子薄膜材料，例如聚二甲基矽氧烷 (Polydimethylsiloxane, PDMS)。而在另外一實施範例中，此薄膜也可選擇剛性振膜。在一實施範例中，本發明更提供一種微型揚聲器的製造方法，包括在軟性壓電材 料的上、下表面，鍍上一層金屬電極。利用圓孔切割刀，將軟性壓電材料裁剪出一個圓孔，形 成環型軟性壓電材料結構。另外，在玻璃片表面塗上一層脫模劑，並利用旋轉塗布機在此層 脫模劑上塗布一層高分子薄膜材料，以形成振膜。而後將環型軟性壓電材料結構的表面，黏 合于振膜的表面，並在高溫下加壓結合，以形成包含振膜的環型壓電材料結構。將二組環型 軟性壓電材料結構與振膜經粘合後可形成具有此三明治結構的微型揚聲器。基於上述，本發明所提出的微型揚聲器，利用雙層環型壓電材料，輸入電極以振動 薄膜，可以解決傳統壓電式微型揚聲器常見的低頻音壓不足的現象以及無法撓曲的特性。 此原理為利用兩片環型壓電材料作為上下激振器，並在振膜的上、下兩面鍍上電極，再將可 撓性振膜置於中間層作為激振膜，進而得到良好的聲頻曲線。圖5a與圖5b分別為依照本發明的一實施例的微型揚聲器結構的上視與剖面示意 圖。本實施例中微型揚聲器500包括了兩個環型壓電材料層501、薄膜502、輸入電極503 以及接地電極504。薄膜502位於環型壓電材料層501與501之間，以夾持方式固定。環 型壓電材料層501、薄膜502與環型壓電材料層501堆疊形成三明治結構。薄膜502的環 型周邊區域534為環型壓電材料層501與501所夾持，而其中間區域532則為微型揚聲器 500輸出聲音的工作區域。
輸入電極503連接到環型壓電材料層501與501的一端表面上，而接地電極504 則是連接到環型壓電材料層501與501的另一端。這樣的配置，可以讓薄膜502的震動，是 從外圈區域到內圈區域，如此可增加其振動的幅度而改善音壓不足的現象。環型壓電材料層501包括可撓性壓電薄膜，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)。在其他實 施例中，環型壓電材料層501可由鋯鈦酸鉛陶瓷(Composite PZT)材料所組成。鋯鈦酸鉛 陶瓷不僅具有傳統陶瓷的耐高溫、耐腐蝕、耐風化等特性，而且在電、磁、聲、光等方面具有 許多優異的性能，故也適用於微型揚聲器的結構。薄膜502可以選擇可撓性振膜，而其組成材料例如是高分子薄膜材料，在一實施 例中可以是聚二甲基矽氧烷(PDMS)，此為一種彈性聚合物材料，可增加生物相容性，以便使 微型揚聲器應用於醫工領域。在另一實施範例中，此薄膜502也可為剛性振膜，其特性為音質較高，質地堅韌卻 不可撓。本發明對振膜的材質並不作太多的限制。輸入電極503位於上層環型壓電材料層的上表面以及下層環型壓電材料層的下 表面，其輸入為交流電源。因此，利用上下層連接到反相的電壓，可增加其振動的幅度。再 者，由於可撓性振膜材料較軟，故可大幅提升低頻的音壓。接地電極504座落於上層環型壓電材料與薄膜502的接觸面，以及下層環型壓電 材料與薄膜502的接觸面。這樣可以防止由於電壓不穩和靜電造成事故。圖6是依照本發明的一實施例的微型揚聲器的製造方法示意圖。圖6a h為其制 造流程的示意。請參考圖6a 6b所示，首先採用軟性壓電材料，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)， 厚度為110微米，可形成一層PVDF膜602。並在PVDF膜602的上下表面鍍上一層銀電極 604。此實施例為採用銀作為電極材料，但不以此為限。如圖6c所示，利用圓孔切割刀將PVDF膜602裁剪出一個圓孔，形成環型PVDF結 構605。其上下層包括銀電極604A，中間層為PVDF膜602A。如此可作出一個環型鏤空的三 明治結構。如圖6d 6e所示，在一玻璃片606的正面塗上一層脫模劑608。如圖6f所示，利用旋轉塗布機在該層脫模劑608上塗布一層高分子薄膜材料(比 如PDMS)，可形成PDMS複合結構611。PDMS膜610厚度為50微米，其是作為振膜之用。如圖6g所示，將裁剪為環型狀的環型PVDF結構605粘合在PDMS複合結構611上， 在真空烤箱內加壓結合，因事先塗布脫模劑使得玻璃片606可輕易與PDMS薄膜610分離， 形成包含PDMS膜的環型PVDF結構613。最後，重複圖6a 6g，可形成具有兩組環型PVDF結構與之間具有PDMS膜的揚聲 器結構，將其粘合後即可完成本發明實施例的微型揚聲器，而且此為環型鏤空結構。若微型 揚聲器所選用的材料是高分子材料，則可以是具有可撓特性的微型揚聲器。圖7是現有單一圓盤型壓電式激振器與本發明實施例的雙層環型壓電材料的聲 壓效果比較圖。請參見圖7，橫軸代表音域頻率，縱軸代表位移，本模擬目的在於探討傳統單 一圓盤型壓電式激振器與本發明實施例的雙層環型壓電式激振器的比較。激振薄膜以PVDF 材質作成，其頻率範圍設定於0. 2 3kHz，驅動電極為lOVpp。而模擬的結果顯示，上端的曲線a為雙層環型壓電式激振器頻率與相應薄膜位移 的關係。下端的曲線b為單一圓盤型壓電式激振器頻率與相應薄膜位移的關係。單一圓盤型壓電式激振器所產生的位移約在10,米的尺度。然而，雙層環型壓電式激振器所產生的 位移卻可大大提升到在10_7米的尺度。很明顯地，利用雙層環型的結構不但解決傳統壓電 材料於低頻聲壓不足的現象，同時也改善環型結構於激振面積不如圓盤型而使得聲壓不佳 的結果。圖8是PZT揚聲器與PVDF-PDMS揚聲器的頻率響應曲線。請參見圖8。橫軸代表 人耳可接受的音域頻率，縱軸代表聲壓階層，而以分貝(dB)表示。一般而言，現有PZT揚聲 器多以鋁(AL)作為激振薄膜，而PVDF-PDMS揚聲器則以PDMS等高分子為激振薄膜，而以 PVDF作為激振器。圖中有三條曲線a、b以及c分別代表背景噪聲、PVDF-PDMS揚聲器以及 PZT揚聲器的頻率響應。PVDF-PDMS揚聲器以及PZT揚聲器的聲壓值皆超過背景噪聲，故可 發出聲響。由圖8可知，PVDF-PDMS揚聲器於200Hz的聲壓值約有60dB表現，優於傳統PZT 揚聲器。很明顯地，PVDF-PDMS揚聲器的頻率響應曲線將優於PZT揚聲器的頻率響應曲線。綜上所述，本發明主要創新之處是利用雙層環型壓電材料，將高分子薄膜材料夾 在中間(類似三明治結構)。雙層環型壓電材料為激振源，而高分子薄膜則為音源輸出的振 蕩薄膜。上下環型壓電材料驅動的方式可彌補單層激振源所產生音壓不足的現象。因單層 振膜為軟性材料，加上利用雙層反向接電的方式，可增加其振動的幅度。故可大幅提升低頻 的音壓，進而改善低頻響應。本發明的製作工藝簡單，故成本低。尤有甚者，可撓式製成技術也可應用於微型揚聲器的結構之中。由於此技術所制 造的產品具有重量輕、成本極低廉與耐衝擊等特性，不僅極具發展價值，更可增加設計人員 在產品外型上的想像空間及使用者攜帶上的便利性。而本發明可撓的特性讓微型揚聲器可 以配合有限空間做適當的撓屈，有利於元件擺放配置，增加產品小型化的機會。未來可以應 用至電子紙上使電子紙也可以有『聲』、光表現，使電子紙可以表達的更『聲』動，可以給使 用者更豐富生動的資訊。未來也可以將可撓的微型揚聲器作在電子衣上，除可以提供音樂 外，有可以將電子衣上感測器的信號以聲音的方式來通知使用者，讓使用者除了聽音樂之 外，也可以有監測生理信號的功用(警告)。另外，可撓性微型揚聲器可以整合至電子衣，可 為視障用者提供警示聲響或是區域說明。穿載式手機加上可撓性微型揚聲器的技術，也可 大大提升對使用者的吸引力。雖然結合以上實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何所屬技術 領域中熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作些許的更動與潤飾，故本發明 的保護範圍應以附上的權利要求所界定的為準。
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權利要求
一種微型揚聲器，包括第一壓電材料層與一第二壓電材料層；以及振膜，介於該第一壓電材料層與該第二壓電材料層之間，其中該振膜的周邊區域為該第一壓電材料層與該第二壓電材料層所夾持，而該振膜的中間區域作為該微型揚聲器輸出聲音的工作區域。
2.如權利要求1所述的微型揚聲器，其中該振膜包括一可撓性振膜。
3.如權利要求2所述的微型揚聲器，其中該可撓性振膜由高分子薄膜材料所組成。
4.如權利要求1所述的微型揚聲器，其中該薄膜為一剛性振膜。
5.如權利要求1所述的微型揚聲器，其中該第一壓電材料層與該第二壓電材料層為環 型結構，而該振膜的周邊區域是由該環型結構所夾持固定。
6.如權利要求1所述的微型揚聲器，其中該第一壓電材料層與該第二壓電材料層為可 撓性壓電材料層。
7.如權利要求6所述的微型揚聲器，其中該可撓性壓電材料層是由聚偏二氟乙烯 (PVDF)、鋯鈦酸鉛陶瓷(Composite PZT)其中之一或其組合而組成。
8.如權利要求1所述的微型揚聲器，其中還包括一第一輸入電極與一第二輸入電極， 該第一輸入電極連接到該第一壓電材料層，而該第二輸入電極連接到該第二壓電材料層， 以提供該微型揚聲器操作電源。
9.一種微型揚聲器的製造方法，包括提供一壓電材料，並形成上下表面具有金屬電極的兩壓電材料層；將該兩壓電材料層切割形成具有鏤空的一第一壓電材料層與一第二壓電材料層；形成一振膜；以及結合該第一壓電材料層、該振膜與該第二壓電材料層以形成一三明治結構，其中該振 膜與介於該第一壓電材料層與該第二壓電材料層之間，而該振膜的周邊區域為該第一壓電 材料層與該第二壓電材料層所夾持，而該振膜的中間區域通過該第一壓電材料層與該第二 壓電材料層的鏤空區域作為該微型揚聲器輸出聲音的工作區域。
10.如權利要求9所述的微型揚聲器的製造方法，其中形成該具有金屬電極的壓電材 料層的方法包括提供一壓電材料層；在該壓電材料層的一第一表面與一第二表面上形成一金屬電極層，其中該第一表面與 該第二表面分別位於該壓電材料層的兩側；以及將具有該金屬電極層的該壓電材料層切割形成中間具有該鏤空區域的結構，即為該具 有金屬電極的壓電材料層。
11.如權利要求10所述的微型揚聲器的製造方法，其中將具有該金屬電極層的該壓電 材料層切割的方式為利用圓孔切割刀，裁剪出具有圓孔外型的該鏤空區域。
12.如權利要求10所述的微型揚聲器的製造方法，其中該金屬電極層包括銀。
13.如權利要求10所述的微型揚聲器的製造方法，其中該壓電材料層由軟性壓電材料 所組成。
14.如權利要求13所述的微型揚聲器的製造方法，其中該軟性壓電材料包括聚偏二氟 乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)。
15.如權利要求9所述的微型揚聲器的製造方法，其中形成該振膜的方法包括 塗一層脫模劑於一玻璃片的表面；以及旋轉塗布一高分子薄膜材料層在該層脫模劑上，以形成該振膜。
16.如權利要求15所述的微型揚聲器的製造方法，其中該層高分子薄膜材料包括聚二 甲基矽氧燒(Polydimethylsiloxane, PDMS)。
17.如權利要求9所述的微型揚聲器的製造方法，其中結合該第一壓電材料層、該振膜 與該第二壓電材料層的方法包括將該第一壓電材料層與該第二壓電材料層，粘合於該振膜的表面；以及 經由加熱加壓結合，以形成該三明治結構。
全文摘要
本發明公開提出一種微型揚聲器及其製造方法，具有改善微型揚聲器在低頻聲壓不足的現象，或具有可撓性的特性。此微型揚聲器具有三明治結構，包括兩壓電材料層和配置於其中的一薄膜。上述壓電材料層在一例子中為環型結構。
文檔編號H04R31/00GK101931850SQ20081019038
公開日2010年12月29日 申請日期2008年12月31日 優先權日2008年12月31日
發明者莊承鑫, 李新立, 王欽宏, 賴敬堯 申請人:財團法人工業技術研究院