碳納米管薄膜揚(yáng)聲器發(fā)展進(jìn)程

朱東升，李 鑫

（沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

1 概述

現(xiàn)在使用的揚(yáng)聲器大多是由一個(gè)電磁線圈組成，當(dāng)音頻電流流經(jīng)音圈時(shí)，由于電磁感應(yīng)會(huì)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)可變磁場，在可變磁場和永磁體磁場的相互作用下，音圈受到交變驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)紙盆根據(jù)音頻電流的輸入頻率振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音。但是這些線圈體積龐大，無法與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 技術(shù)集成。100 多年前，研究者首次提出了熱聲揚(yáng)聲器的概念[1]，相比于傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器利用音圈的振動(dòng)來發(fā)出聲音，熱聲揚(yáng)聲器則是通過在薄膜兩端施加交流電，使得薄膜發(fā)熱，周圍的空氣與其發(fā)生熱交換從而產(chǎn)生聲音，其基本原理圖如圖1 所示。用碳納米管制備的薄膜揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)非常簡單，同時(shí)這種揚(yáng)聲器可以產(chǎn)生寬頻率響應(yīng)范圍、高聲壓級(jí)、總諧波失真小和可制備在任意基底上的優(yōu)勢。隨著電子產(chǎn)品朝著柔性可穿戴方向發(fā)展，用CNT 制備的柔性薄膜揚(yáng)聲器具有很大的潛力。

2 薄膜揚(yáng)聲器發(fā)展歷程

CNT 薄膜揚(yáng)聲器的發(fā)展如圖2 所示。1917年Aronld和Crandall[2]發(fā)明了一種700 納米Pt 熱致發(fā)聲器，當(dāng)?shù)皖l交流電通過低電容的Pt 膜表面時(shí)，熱量會(huì)被傳遞到周圍空氣中，空氣會(huì)發(fā)生周期性的膨脹，從而發(fā)出聲音，這是首次以納米薄膜制備出了薄膜揚(yáng)聲器，但由于材料尺寸比較厚，導(dǎo)致?lián)P聲器的聲壓級(jí)和頻率范圍較低，聲音幾乎很難被捕捉到，因此在當(dāng)時(shí)并未得到大范圍推廣，但為大家提供了一種通過薄膜來制備揚(yáng)聲器的方法。

近年來隨著納米材料和理論模型的迅速發(fā)展，基于熱聲效應(yīng)的新型薄膜揚(yáng)聲器得以迅速發(fā)展。2008年，LinXiao[3]等人首次采用碳納米管薄膜制備了懸浮的薄膜揚(yáng)聲器，這種器件與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器不同，這種納米器件沒有磁鐵和可移動(dòng)的部件，結(jié)果表明該揚(yáng)聲器在4.5W 的輸入功率下，10kHz 頻率時(shí)距離器件5cm 處測試聲壓級(jí)達(dá)到95Db，不僅聲壓級(jí)高而且具有總諧波失真小和頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，其性能特點(diǎn)完全可以達(dá)到商用揚(yáng)聲器級(jí)別。此外這種薄膜揚(yáng)聲器的厚度僅僅幾十納米，并且是透明、柔軟和可伸長的，它們可以被裁剪成任意形狀和大小，這種器件可以放置在任何表面上包括墻壁、天花板、窗戶、旗幟和衣服上面。即隨著柔性可穿戴電子產(chǎn)品的增多，通過碳納米管薄膜可用來構(gòu)建商用柔性薄膜揚(yáng)聲器，應(yīng)用場合大大增多，為大家使用商用耳機(jī)提供了更多的選擇。同時(shí)理論模型證明了揚(yáng)聲器的聲音大小與薄膜的單位面積比熱容有關(guān)，即揚(yáng)聲器聲壓級(jí)大小與單位面積比熱容成反比。這同時(shí)也解釋了為什么700nm 厚的薄膜揚(yáng)聲器為什么性能不好，就是因?yàn)檩斎虢涣麟娭蟊∧け旧懋a(chǎn)生的熱量很大一部分被自身消耗掉，從而減少了向空氣當(dāng)中釋放的能量，因此性能較差。

圖1 碳納米管薄膜揚(yáng)聲器原理圖

2011年，LinXiao[4]等人為了提升懸浮碳納米管薄膜揚(yáng)聲器的性能，研究了碳納米管薄膜揚(yáng)聲器在氫氣、氬氣和氦氣等不同氣氛當(dāng)中的聲學(xué)性能，研究表明，該薄膜揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)范圍在300Hz-100kHz，在距離生源11.5cm 距離處，輸入功率在0.85W，100kHz 時(shí)下聲壓級(jí)可達(dá)到80DB，碳納米管產(chǎn)生的聲壓與氣體介質(zhì)的熱容量成反比，即在熱容越小的氣體介質(zhì)中，薄膜發(fā)出聲音的聲壓級(jí)越高。但對于大尺寸的碳納米管薄膜，在較高的空氣頻率范圍響應(yīng)內(nèi)，由于聲波在近場區(qū)的破壞性干擾，其聲壓降低。該實(shí)驗(yàn)研究為提升薄膜揚(yáng)聲器的性能提供了更多的參考價(jià)值，可以進(jìn)一步提升其商業(yè)化應(yīng)用前景。

2013年魏洋[5]采用超順排的碳納米管薄膜制備了結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬的熱聲碳納米管揚(yáng)聲器，通過將超順排碳納米管細(xì)線薄膜集成到了帶有圖形化微槽的硅片上，獲得了碳納米管熱聲芯片，實(shí)現(xiàn)了揚(yáng)聲器的無振動(dòng)發(fā)聲。提出并驗(yàn)證了熱聲效應(yīng)的溫度波理論，同時(shí)定量確定了溫度波的波長。結(jié)果表明，通過實(shí)驗(yàn)精確的控制凹槽的深度，從而可精確地控制碳納米管薄膜與基底的距離，當(dāng)凹槽深度小于溫度波波長時(shí)，基底的存在會(huì)使薄膜上的熱量部分傳遞到基底，由于薄膜表面產(chǎn)生的熱量只有與空氣進(jìn)行熱交換的部分會(huì)產(chǎn)生聲音，其余部分僅僅用來使基底進(jìn)行加熱做無用功，所以導(dǎo)致熱聲轉(zhuǎn)換效率較低，所以隨著凹槽深度的增加，基底的影響不斷減小，揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)不斷增大；當(dāng)凹槽深度大于溫度波長時(shí)，基底的存在將不會(huì)對該熱聲揚(yáng)聲器的性能產(chǎn)生影響，有利于碳納米管細(xì)線熱聲芯片的應(yīng)用。通過對器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了熱聲芯片的實(shí)用化，采用叉指電極使芯片的驅(qū)動(dòng)電壓在1W 的輸入功率下驅(qū)動(dòng)電壓由40 伏降低到3 伏以下，使其可以縮小規(guī)模，應(yīng)用于小型化揚(yáng)聲器，作者進(jìn)一步成功制備了大規(guī)模微型芯片，并對其進(jìn)行封裝組裝成耳機(jī)，通過設(shè)計(jì)電路解決了熱聲揚(yáng)聲器普遍存在的倍頻效應(yīng)，并在日常生活中進(jìn)行連續(xù)使用一年，發(fā)現(xiàn)其并沒有什么損壞，使用感覺與傳統(tǒng)耳機(jī)相比并沒有什么不同。此項(xiàng)研究不僅證明了此種結(jié)構(gòu)的熱聲芯片可以與現(xiàn)有的商用耳機(jī)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，直接制備成商用耳機(jī)，而且通過其組裝成耳機(jī)之后可以穩(wěn)定的工作一年證明了這種類型的揚(yáng)聲器具有相應(yīng)的穩(wěn)定性，但是這種耳機(jī)的尺寸與商用耳機(jī)的形狀具有相似大小。但是它證明了以碳納米管制備的熱聲芯片可以與半導(dǎo)體封裝技術(shù)是兼容的，為薄膜揚(yáng)聲器與CMOS 集成技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，制備尺寸更小、聲壓級(jí)更高性能更優(yōu)異的薄膜揚(yáng)聲器提供了參考。

2015年Blake[6]研究了迄今為止最小的熱聲系統(tǒng)，制備了2 微米單根懸浮的碳納米管熱聲揚(yáng)聲器，此熱聲系統(tǒng)比以往報(bào)道的任何熱聲系統(tǒng)都要小四個(gè)數(shù)量級(jí)。研究結(jié)果證明了通過在8kHz 時(shí)向器件施加1.4V 的交流電壓，可以采用商用麥克風(fēng)檢測到聲音信號(hào)，聲壓范圍在0.2 至1μPa，研究中測試的7 個(gè)器件的熱聲效率從0.007到0.6Pa/W，雖然此熱聲系統(tǒng)比以往報(bào)道的任何熱聲系統(tǒng)要小四個(gè)數(shù)量級(jí)，但是器件的熱聲轉(zhuǎn)換效率較低，主要是由于這些碳納米管的橫向尺寸較小，導(dǎo)熱系數(shù)高，導(dǎo)致了熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到基底上面造成大量的熱量損失，但通過理論證明了碳納米管薄膜因?yàn)檫@種原因而造成大量的熱量損失。雖然此器件的熱聲轉(zhuǎn)換效率較低，但是它證明了單根碳納米管可以用來制備熱聲器件，將其作為揚(yáng)聲器使用時(shí)具有優(yōu)異的熱聲性能，為我們基于熱聲效應(yīng)制備的微型揚(yáng)聲器并將其可用于商業(yè)應(yīng)用提供了一個(gè)模型，與傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器相比在相同的尺寸下可以集成更多的應(yīng)用，未來會(huì)吸引越來越多的研究者采用此材料進(jìn)一步研究熱聲薄膜揚(yáng)聲器。

2017年邢倩荷[7]，對碳納米管薄膜揚(yáng)聲器的聲場特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：碳納米管薄膜揚(yáng)聲器的聲壓隨著頻率升高而增大，在低中頻上升迅速，3000Hz 以后趨于平緩；在遠(yuǎn)場，隨著測點(diǎn)到薄膜的距離增大，聲壓逐漸減小；在近場，并非嚴(yán)格的平面波，計(jì)算值與測試值誤差較大，已有的理論公式需要修正。此結(jié)果為研究者進(jìn)一步研究碳納米管薄膜揚(yáng)聲器提供了理論參考。

圖2 碳納米管薄膜揚(yáng)聲器發(fā)展進(jìn)程

2019年Romenov[8]采用氣溶膠化學(xué)氣相沉積法制備的單壁碳納米管薄膜構(gòu)建了薄膜揚(yáng)聲器，并建立了一個(gè)理論模型來預(yù)測聲波傳播的方向，同時(shí)系統(tǒng)的研究了器件性能與薄膜厚度和純度的關(guān)系。通過采用電阻加熱法去除碳納米管薄膜中的催化劑顆粒，提升了薄膜的純度，降低了薄膜的單位面積比熱容，并從理論證明了單壁碳納米管具有極低的單位面積比熱容，構(gòu)建的厘米級(jí)薄膜揚(yáng)聲器可在1-100kHz 內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)。與其它結(jié)果相比，在等效條件下此種氣凝膠結(jié)構(gòu)的薄膜揚(yáng)聲器其熱聲轉(zhuǎn)換效率是其它材料的四倍，通過進(jìn)一步減薄和純化單壁碳納米管薄膜，在1W 的輸入功率下，在3 厘米距離處測得聲壓級(jí)101Db，這是目前所報(bào)道的基于熱聲效應(yīng)聲壓級(jí)最大的揚(yáng)聲器，從結(jié)果來看目前為止制備的碳納米管薄膜揚(yáng)聲器其性能可達(dá)到與傳統(tǒng)電磁式、壓電式揚(yáng)聲器相似的優(yōu)異性能，但這種熱聲揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)及其簡單，制備工藝簡單，對未來采用碳納米管作為商用薄膜揚(yáng)聲器提供了性能支持。

3 挑戰(zhàn)與展望

雖然碳納米管薄膜揚(yáng)聲器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前的研究主要還是集中于基于厘米級(jí)別的器件，并且與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器相比較，聲壓級(jí)在大于10kHz 時(shí)性能較好，小于10kHz 時(shí)性能較差；熱聲轉(zhuǎn)換效率低；作為柔性可穿戴時(shí)產(chǎn)品時(shí)如何控制揚(yáng)聲器溫度也是一個(gè)重要問題；如何將其應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品中制備性能優(yōu)異的商用揚(yáng)聲器，并進(jìn)行大規(guī)模制備是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。但碳納米管薄膜具有優(yōu)異的性能，與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器相比體積較小、制備工藝簡單，可與CMOS 集成技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，制備相應(yīng)的微型揚(yáng)聲器產(chǎn)品。隨著電子器件朝著柔性可穿戴技術(shù)以及尺寸越來越小的方向發(fā)展，以碳納米管薄膜來構(gòu)建微型、商用的柔性薄膜揚(yáng)聲器具有巨大的潛力。