碳納米管薄膜揚聲器發展進程

朱東升，李 鑫

（沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159）

1 概述

現在使用的揚聲器大多是由一個電磁線圈組成，當音頻電流流經音圈時，由于電磁感應會在其周圍產生一個可變磁場，在可變磁場和永磁體磁場的相互作用下，音圈受到交變驅動力，帶動紙盆根據音頻電流的輸入頻率振動，從而產生聲音。但是這些線圈體積龐大，無法與標準的CMOS 技術集成。100 多年前，研究者首次提出了熱聲揚聲器的概念[1]，相比于傳統的揚聲器利用音圈的振動來發出聲音，熱聲揚聲器則是通過在薄膜兩端施加交流電，使得薄膜發熱，周圍的空氣與其發生熱交換從而產生聲音，其基本原理圖如圖1 所示。用碳納米管制備的薄膜揚聲器結構非常簡單，同時這種揚聲器可以產生寬頻率響應范圍、高聲壓級、總諧波失真小和可制備在任意基底上的優勢。隨著電子產品朝著柔性可穿戴方向發展，用CNT 制備的柔性薄膜揚聲器具有很大的潛力。

2 薄膜揚聲器發展歷程

CNT 薄膜揚聲器的發展如圖2 所示。1917年Aronld和Crandall[2]發明了一種700 納米Pt 熱致發聲器，當低頻交流電通過低電容的Pt 膜表面時，熱量會被傳遞到周圍空氣中，空氣會發生周期性的膨脹，從而發出聲音，這是首次以納米薄膜制備出了薄膜揚聲器，但由于材料尺寸比較厚，導致揚聲器的聲壓級和頻率范圍較低，聲音幾乎很難被捕捉到，因此在當時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聲器的方法。

近年來隨著納米材料和理論模型的迅速發展，基于熱聲效應的新型薄膜揚聲器得以迅速發展。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聲器，這種器件與傳統揚聲器不同，這種納米器件沒有磁鐵和可移動的部件，結果表明該揚聲器在4.5W 的輸入功率下，10kHz 頻率時距離器件5cm 處測試聲壓級達到95Db，不僅聲壓級高而且具有總諧波失真小和頻率范圍寬等優點，其性能特點完全可以達到商用揚聲器級別。此外這種薄膜揚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品的增多，通過碳納米管薄膜可用來構建商用柔性薄膜揚聲器，應用場合大大增多，為大家使用商用耳機提供了更多的選擇。同時理論模型證明了揚聲器的聲音大小與薄膜的單位面積比熱容有關，即揚聲器聲壓級大小與單位面積比熱容成反比。這同時也解釋了為什么700nm 厚的薄膜揚聲器為什么性能不好，就是因為輸入交流電之后薄膜本身產生的熱量很大一部分被自身消耗掉，從而減少了向空氣當中釋放的能量，因此性能較差。

圖1 碳納米管薄膜揚聲器原理圖

2011年，LinXiao[4]等人為了提升懸浮碳納米管薄膜揚聲器的性能，研究了碳納米管薄膜揚聲器在氫氣、氬氣和氦氣等不同氣氛當中的聲學性能，研究表明，該薄膜揚聲器的頻率響應范圍在300Hz-100kHz，在距離生源11.5cm 距離處，輸入功率在0.85W，100kHz 時下聲壓級可達到80DB，碳納米管產生的聲壓與氣體介質的熱容量成反比，即在熱容越小的氣體介質中，薄膜發出聲音的聲壓級越高。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內，由于聲波在近場區的破壞性干擾，其聲壓降低。該實驗研究為提升薄膜揚聲器的性能提供了更多的參考價值，可以進一步提升其商業化應用前景。

2013年魏洋[5]采用超順排的碳納米管薄膜制備了結構堅硬的熱聲碳納米管揚聲器，通過將超順排碳納米管細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，實現了揚聲器的無振動發聲。提出并驗證了熱聲效應的溫度波理論，同時定量確定了溫度波的波長。結果表明，通過實驗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，當凹槽深度小于溫度波波長時，基底的存在會使薄膜上的熱量部分傳遞到基底，由于薄膜表面產生的熱量只有與空氣進行熱交換的部分會產生聲音，其余部分僅僅用來使基底進行加熱做無用功，所以導致熱聲轉換效率較低，所以隨著凹槽深度的增加，基底的影響不斷減小，揚聲器的聲壓級不斷增大；當凹槽深度大于溫度波長時，基底的存在將不會對該熱聲揚聲器的性能產生影響，有利于碳納米管細線熱聲芯片的應用。通過對器件結構的進一步優化，并實現了熱聲芯片的實用化，采用叉指電極使芯片的驅動電壓在1W 的輸入功率下驅動電壓由40 伏降低到3 伏以下，使其可以縮小規模，應用于小型化揚聲器，作者進一步成功制備了大規模微型芯片，并對其進行封裝組裝成耳機，通過設計電路解決了熱聲揚聲器普遍存在的倍頻效應，并在日常生活中進行連續使用一年，發現其并沒有什么損壞，使用感覺與傳統耳機相比并沒有什么不同。此項研究不僅證明了此種結構的熱聲芯片可以與現有的商用耳機技術進行結合，直接制備成商用耳機，而且通過其組裝成耳機之后可以穩定的工作一年證明了這種類型的揚聲器具有相應的穩定性，但是這種耳機的尺寸與商用耳機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體封裝技術是兼容的，為薄膜揚聲器與CMOS 集成技術進行結合，制備尺寸更小、聲壓級更高性能更優異的薄膜揚聲器提供了參考。

2015年Blake[6]研究了迄今為止最小的熱聲系統，制備了2 微米單根懸浮的碳納米管熱聲揚聲器，此熱聲系統比以往報道的任何熱聲系統都要小四個數量級。研究結果證明了通過在8kHz 時向器件施加1.4V 的交流電壓，可以采用商用麥克風檢測到聲音信號，聲壓范圍在0.2 至1μPa，研究中測試的7 個器件的熱聲效率從0.007到0.6Pa/W，雖然此熱聲系統比以往報道的任何熱聲系統要小四個數量級，但是器件的熱聲轉換效率較低，主要是由于這些碳納米管的橫向尺寸較小，導熱系數高，導致了熱量通過熱傳導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為這種原因而造成大量的熱量損失。雖然此器件的熱聲轉換效率較低，但是它證明了單根碳納米管可以用來制備熱聲器件，將其作為揚聲器使用時具有優異的熱聲性能，為我們基于熱聲效應制備的微型揚聲器并將其可用于商業應用提供了一個模型，與傳統的揚聲器相比在相同的尺寸下可以集成更多的應用，未來會吸引越來越多的研究者采用此材料進一步研究熱聲薄膜揚聲器。

2017年邢倩荷[7]，對碳納米管薄膜揚聲器的聲場特性進行了研究，研究結果表明：碳納米管薄膜揚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；在遠場，隨著測點到薄膜的距離增大，聲壓逐漸減小；在近場，并非嚴格的平面波，計算值與測試值誤差較大，已有的理論公式需要修正。此結果為研究者進一步研究碳納米管薄膜揚聲器提供了理論參考。

圖2 碳納米管薄膜揚聲器發展進程

2019年Romenov[8]采用氣溶膠化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管薄膜構建了薄膜揚聲器，并建立了一個理論模型來預測聲波傳播的方向，同時系統的研究了器件性能與薄膜厚度和純度的關系。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，構建的厘米級薄膜揚聲器可在1-100kHz 內實現頻率響應。與其它結果相比，在等效條件下此種氣凝膠結構的薄膜揚聲器其熱聲轉換效率是其它材料的四倍，通過進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101Db，這是目前所報道的基于熱聲效應聲壓級最大的揚聲器，從結果來看目前為止制備的碳納米管薄膜揚聲器其性能可達到與傳統電磁式、壓電式揚聲器相似的優異性能，但這種熱聲揚聲器結構及其簡單，制備工藝簡單，對未來采用碳納米管作為商用薄膜揚聲器提供了性能支持。

3 挑戰與展望

雖然碳納米管薄膜揚聲器具有很多優點，但當前的研究主要還是集中于基于厘米級別的器件，并且與傳統揚聲器相比較，聲壓級在大于10kHz 時性能較好，小于10kHz 時性能較差；熱聲轉換效率低；作為柔性可穿戴時產品時如何控制揚聲器溫度也是一個重要問題；如何將其應用到實際的產品中制備性能優異的商用揚聲器，并進行大規模制備是一個巨大的挑戰。但碳納米管薄膜具有優異的性能，與傳統揚聲器相比體積較小、制備工藝簡單，可與CMOS 集成技術進行結合，制備相應的微型揚聲器產品。隨著電子器件朝著柔性可穿戴技術以及尺寸越來越小的方向發展，以碳納米管薄膜來構建微型、商用的柔性薄膜揚聲器具有巨大的潛力。