具有集成的聲學(xué)功能的結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說(shuō)明】具有集成的聲學(xué)功能的結(jié)構(gòu)
[0001] 背景
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0003] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§119要求2012年10月26日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)系列第 61/718, 980號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)的內(nèi)容為基礎(chǔ)并通過(guò)參考將其完整地結(jié)合于此。
[0004] 領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明總體涉及具有集成的聲學(xué)功能的結(jié)構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)，涉及具有用于提供聲學(xué) 功能的微型揚(yáng)聲器陣列的觸摸屏設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0006] 隨著電子設(shè)備變得更加先進(jìn)，消費(fèi)者現(xiàn)在要求設(shè)備包括音頻能力，在一些情況下 是觸摸屏顯示器。但是，把傳統(tǒng)的錐形揚(yáng)聲器結(jié)合進(jìn)入這種電子設(shè)備常常非常困難，并增加 了設(shè)備的尺寸。雖然傳統(tǒng)的錐形揚(yáng)聲器變得更小，仍需要進(jìn)一步減小電子設(shè)備的尺寸。
[0007] 概述
[0008] 本文所述的實(shí)施方式包括具有集成的聲學(xué)功能的設(shè)備，其包括圖案化的觸摸屏蓋 板、聲學(xué)薄膜、多個(gè)電極和基片。在一些實(shí)施方式中，基片連接到聲學(xué)薄膜，降低從聲學(xué)薄膜 經(jīng)基片的熱損失。聲學(xué)薄膜可連接到圖案化的觸摸屏蓋板，并傳導(dǎo)由多個(gè)電極提供的振動(dòng) 電流，由此用作納米級(jí)發(fā)聲器。在一些實(shí)施方式中，圖案化的觸摸屏蓋板提供微型揚(yáng)聲器陣 列和觀看區(qū)域，其中微型揚(yáng)聲器陣列繞著圖案化的觸摸屏蓋板的周界設(shè)置。
[0009] 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0010] 應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述介紹了各種實(shí)施方式，用來(lái)提供理 解要求保護(hù)的主題的性質(zhì)和特性的總體評(píng)述或框架。包括的附圖提供了對(duì)各種實(shí)施方式的 進(jìn)一步的理解，附圖被結(jié)合在本說(shuō)明書中并構(gòu)成說(shuō)明書的一部分。附圖以圖示形式說(shuō)明了 本文所述的各種實(shí)施方式，并與說(shuō)明書一起用來(lái)解釋要求保護(hù)的主題的原理和操作。
[0011] 圖1顯示了根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的電子設(shè)備的各種組件的透視圖，其包括具 有集成的聲學(xué)功能的觸摸屏；
[0012] 圖2顯示了根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的觸摸屏的俯視圖，其包括用于提供聲學(xué)功 能的多個(gè)微型揚(yáng)聲器；
[0013] 圖3顯示根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的觸摸屏的側(cè)視圖，其包括多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)；和
[0014] 圖4顯示根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的電子設(shè)備的側(cè)視圖，其在基片中包括多孔 層。
[0015] 詳細(xì)描述
[0016] 本文所述的實(shí)施方式包括多層結(jié)構(gòu)，其包括設(shè)置在兩個(gè)玻璃板之間的透明的、半 透明的和/或著色的導(dǎo)電薄膜（例如薄的碳納米管、石墨烯、金屬納米線、ITO(氧化銦錫）、 PEDOT聚（3, 4-亞乙基二氧噻吩）或其它透明的導(dǎo)電薄膜），在玻璃表面和聲學(xué)薄膜之間制 備電極，起納米級(jí)發(fā)聲器的作用?？蓤D案化這些層來(lái)優(yōu)化電子設(shè)備的音頻和視頻性能。一 個(gè)或兩個(gè)玻璃板可包括薄的覆蓋層。通過(guò)把音頻的振動(dòng)電流施加到導(dǎo)電薄膜例如碳納米管 薄膜，基于熱聲學(xué)效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生聲音。這在膜內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)熱量，振動(dòng)熱量在鄰近的環(huán)境界面 中產(chǎn)生溫度振動(dòng)，進(jìn)而在周圍空氣中產(chǎn)生聲學(xué)壓力振動(dòng)。結(jié)果，無(wú)需層振動(dòng)就形成聲音。因 此，玻璃層可保護(hù)透明的、半透明的和/或著色的導(dǎo)電薄膜例如碳納米管薄膜免受損壞，以 及使得透明的、半透明的和/或著色的導(dǎo)電薄膜與周圍空氣之間能進(jìn)行熱交換。
[0017] 現(xiàn)在參考附圖，圖1顯示了根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的電子設(shè)備100的各種組件 的透視圖，其包括觸摸屏蓋板108,例如具有集成的聲學(xué)功能的觸摸屏蓋板。如圖所示，電子 設(shè)備100包括具有集成的視覺(jué)功能（其包括用于提供影像例如電子影像的影像源）的電子 組件102、基片104、聲學(xué)薄膜106和觸摸屏蓋板108。電子組件102可構(gòu)造成移動(dòng)電話、平 板或用于為顯示提供圖像和音頻信號(hào)的其它設(shè)備的電子或計(jì)算硬件。如下文所更加詳細(xì)描 述，電子設(shè)備100還可通過(guò)連接到聲學(xué)薄膜106的電極提供音頻信號(hào)，用于通過(guò)觸摸屏蓋板 108形成音頻。因此，基片104可由玻璃或其它類似的材料構(gòu)成，且可構(gòu)造成熱絕緣體來(lái)降 低通過(guò)電極產(chǎn)生的熱量逃逸進(jìn)入電子組件102的量。基片104可構(gòu)造成剛性或柔性材料， 且可構(gòu)造成用于接受和/或固定一個(gè)或多個(gè)電極。
[0018] 連接到基片104的是聲學(xué)薄膜106。聲學(xué)薄膜106可由碳納米管材料或具有類似 性質(zhì)的其它材料構(gòu)造，且因此可構(gòu)造成納米結(jié)構(gòu)的膜。取決于所用的具體材料，聲學(xué)薄膜 106的厚度可為約0. 5-1. 0微米，并提供約6-15歐姆的電阻。聲學(xué)薄膜106還可具有基本 上匹配觸摸屏蓋板108的蓋板長(zhǎng)度和蓋板寬度的膜長(zhǎng)度和膜寬度。取決于特定實(shí)施方式， 在聲學(xué)薄膜106和基片104之間可連接多個(gè)電極。因此，響應(yīng)音頻信號(hào)的請(qǐng)求，電子組件 102可把（一種或更多種）電信號(hào)發(fā)送到多個(gè)電極。因此，多個(gè)電極可發(fā)射對(duì)應(yīng)于所需聲音 的（一種或更多種）電信號(hào)。此外，取決于特定實(shí)施方式，聲學(xué)薄膜106可提供柔性、透明 性和/或半透明性，來(lái)提供所需的電子設(shè)備100的視覺(jué)效果。
[0019] 還如本文所述，聲學(xué)薄膜106可構(gòu)造成圖案化的納米碳膜。具體來(lái)說(shuō)，聲學(xué)薄膜 106包括圖案化的部分106a和非圖案化的部分106b。圖案化的部分106a可沿著聲學(xué)薄膜 106的周界設(shè)置，且可圖案化以促進(jìn)電信號(hào)傳遞到聲學(xué)薄膜，用于形成熱量。類似地，觸摸屏 蓋板108可具有蓋板長(zhǎng)度和蓋板寬度，并包括圖案化的部分108a和非圖案化的部分108b。 圖案化的部分108a可沿著觸摸屏蓋板108的周界設(shè)置，且可構(gòu)造成把來(lái)自聲學(xué)薄膜106的 圖案化的部分l〇6a的熱量通過(guò)微型揚(yáng)聲器陣列轉(zhuǎn)移，所述微型揚(yáng)聲器陣列通過(guò)觸摸屏蓋 板108的圖案化的部分108a限定。當(dāng)通過(guò)微型揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)移熱量時(shí)，振動(dòng)熱量通過(guò)在周圍空 氣中形成聲學(xué)壓力振動(dòng)來(lái)形成熱聲學(xué)效應(yīng)。
[0020] 因此，高效的熱聲學(xué)效應(yīng)是借助柔性玻璃材料和制造過(guò)程，從聲學(xué)薄膜106例如 碳納米管薄膜產(chǎn)生的，從而可在玻璃上直接實(shí)現(xiàn)聲學(xué)（音頻）功能。下面的公式解釋了用 于聲學(xué)功能的機(jī)理，其中是聲學(xué)壓力的均方根（空氣中的聲波），P?x是輸入功率（電 功率），CS是每單位面積薄膜導(dǎo)體的熱容；f?是頻率；r是傳播距離；P 和a分別是環(huán)境 空氣的密度、溫度和熱擴(kuò)散系數(shù)。
[0021]
[0022] 這個(gè)公式預(yù)計(jì)，聲學(xué)壓力（P_s)隨著電輸入（P*^)的增加、頻率(^/7)的升高和 每單位面積熱容cs的降低而升高，每單位面積熱容cs與薄膜的質(zhì)量比熱容和表面密度相 關(guān)，而后者是固有的材料參數(shù)。下面的表格比較了碳納米管膜層和鉑箔的性質(zhì)。雖然任一 材料都可用于聲學(xué)薄膜106 (或者具有類似性質(zhì)的其它材料），下面的表格表明，碳納米管 膜的低表面密度是低Cs的主要驅(qū)動(dòng)因素，相當(dāng)于其聲學(xué)壓力比7微米鉑箔高約48dB(= 20xlog(2/7. 7xl(T3) 〇
[0023] 表
[0024]
[0025] 碳納米管材料的低Cs和較高電阻導(dǎo)致瞬時(shí)加熱聲學(xué)薄膜106。當(dāng)施加振動(dòng)電流 (音頻信號(hào)輸入）時(shí)，這導(dǎo)致聲學(xué)薄膜106的溫度振動(dòng)，這進(jìn)而導(dǎo)致鄰近的空氣熱膨脹和收 縮，產(chǎn)生聲波。
[0026] 圖2顯示了根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的觸摸屏蓋板108的俯視圖，其包括用于提 供聲學(xué)功能的多個(gè)微型揚(yáng)聲器。如圖所示，觸摸屏蓋板108包括繞著觸摸屏蓋板108的周界 設(shè)置的圖案化的部分l〇8a，以及設(shè)置于電子設(shè)備100的觀看區(qū)域之內(nèi)的在觸摸屏蓋板108 內(nèi)部部分上的非圖案化的部分l〇8b。還如圖所示，圖案化的部分108a限定多個(gè)微型揚(yáng)聲器 208,其允許通過(guò)觸摸屏蓋板108轉(zhuǎn)移振動(dòng)熱量。
[0027] 對(duì)于熱聲學(xué)發(fā)聲，通過(guò)觸摸屏蓋板108在聲學(xué)薄膜106和環(huán)境空氣之間進(jìn)行有效 的熱交換是非常重要的。但是，因?yàn)橛|摸屏蓋板108可具有固有的熱阻，本文所述的實(shí)施方 式包括具有至少一個(gè)開放通道或小孔的圖案化的觸摸屏蓋板108,其把聲學(xué)薄膜106暴露 于環(huán)境。高密度的這種特征使得能在約10%-90%的總表面積上提供最佳的直接空氣表面 接觸。可設(shè)想，可基于聲學(xué)輸出來(lái)優(yōu)化微型揚(yáng)聲器