一种多层异质复合振膜的平板音响单元的制作方法

本发明涉及音频设备，具体涉及一种多层异质复合振膜的平板音响单元。

背景技术：

1、平板音响单元依靠平面音圈与永磁体阵列的电磁耦合实现电声转换，具有振膜质量轻、分割振动小的理论优势。然而，随着振膜尺寸增大及工作频带向高频扩展，传统均匀材质振膜在面内各向同性的力学分布难以同时满足低频高顺性需求与高频高刚性需求。

2、现有技术多通过整体增加振膜厚度或附加全局阻尼层来改善高频响应，此类方式在提升刚度的同时显著增加振膜质量，导致灵敏度下降且瞬态响应劣化。另有技术采用局部加强环或整体涂层，但其面内力学调制精度不足，无法针对振膜各阶分割振动模态进行有效抑制。因此，如何在振膜面内实现局域化、非均匀的力学特性调控，同时保持振膜整体质量处于较低水平，成为平板音响单元声学性能进一步提升的关键技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明提供一种多层异质复合振膜的平板音响单元，所述平板音响单元包括振膜、设置于所述振膜至少一侧表面的平面音圈、以及位于所述振膜两侧且与所述平面音圈配合的条形永磁体阵列；所述条形永磁体阵列产生平行于所述振膜表面的水平静态磁场，所述平面音圈的蛇形走线的直线段垂直于所述条形永磁体的长轴方向，使得音频电流通过所述蛇形走线时产生垂直于所述振膜表面的洛伦兹驱动力。

2、所述振膜包括基材层和异质层组，所述异质层组包括在所述振膜的面内不同区域分别设置的至少两种异质子层，所述至少两种异质子层的杨氏模量不同，且至少部分所述异质子层设置于所述平面音圈的走线间隙区域或覆盖于所述平面音圈的至少部分走线段表面。

3、所述异质层组包括位于所述振膜中心区的高模量子层和位于所述振膜边缘区的低模量子层，所述高模量子层的杨氏模量大于10 gpa，所述低模量子层的杨氏模量小于1gpa，且所述高模量子层与所述低模量子层之间形成无异质子层的中间过渡区。

4、在一种具体实现中，所述高模量子层为通过溅射或原子层沉积形成于所述走线间隙区域的无机氧化物纳米层，所述低模量子层为通过旋涂或喷墨打印形成于所述走线间隙区域的粘弹性聚合物纳米层。所述无机氧化物纳米层为sio2或al2o3，厚度为30 nm~100 nm；所述粘弹性聚合物纳米层为氟硅橡胶、聚氨酯丙烯酸酯或聚二甲基硅氧烷衍生物，厚度为30 nm~100 nm。制备方法如下：

5、步骤一，基材准备：选用厚度为2.0 μm的双向拉伸聚酰亚胺薄膜作为基材层，对所述基材层的两侧表面进行氧等离子体处理，处理参数为：ar/o2体积流量比9:1，射频功率80w，处理时间120 s，使得表面能从约40 mn/m提升至大于50 mn/m。

6、步骤二，音圈制备：在所述基材层的磁体侧表面，依次电子束蒸发沉积cr粘附层20nm和cu种子层100 nm；旋涂正性光刻胶az(r) 1512至厚度1.2 μm，通过接触式曝光（波长365nm，剂量120 mj/cm2）和显影（az(r) 300 mif显影液，60 s）定义蛇形走线图案，所述蛇形走线的线宽为30 μm，线间距为90 μm，走线直线段垂直于所述条形永磁体的长轴方向；采用硫酸铜电解液进行电镀，电流密度2 a/dm2，温度25°c，电镀时间8 min，使cu层总厚度达到100nm；以丙酮超声去胶3 min，随后采用ar+离子束蚀刻去除暴露区域的cu种子层，形成独立的蛇形音圈走线，所述音圈的直流电阻为30 ω~60 ω。

7、步骤三，中心区高模量填充：在所述基材层的空气侧表面或磁体侧表面的走线间隙区域，旋涂负性光刻胶ma-n 2400至厚度1.5 μm；通过套刻曝光，仅暴露半径r<12 mm的中心区走线间隙，曝光对准精度优于2 μm；以显影液ma-d 525显影90 s；采用rf磁控溅射沉积sio2，靶材纯度99.99%，ar气氛，溅射功率150 w，沉积速率5 nm/min，沉积时间10 min，形成厚度50 nm的sio2纳米层；以n-甲基吡咯烷酮于60°c浸泡20 min进行lift-off，仅保留所述走线间隙内的sio2纳米岛作为所述高模量子层。

8、步骤四，边缘区低模量填充：在所述基材层的相应表面旋涂正性光刻胶，通过套刻曝光暴露半径r>40 mm的边缘区走线间隙；显影后，采用微压电喷墨打印头将氟硅橡胶预聚物打印于所述暴露区域，所述预聚物为dow corning(r) ls~2840经稀释后粘度调节至800cp，液滴体积10 pl，喷头驱动频率20 khz；于80°c热固化40 min，使所述氟硅橡胶交联但不完全硫化，保留损耗因子tanδ≈0.5@1 khz；以丙酮超声进行lift-off，仅保留所述走线间隙内的氟硅橡胶纳米层作为所述低模量子层。

9、步骤五，后处理：对整个振膜表面进行氧等离子体清洗以去除残胶，随后采用化学气相沉积法喷涂5 nm厚的聚对二甲苯c防护层，沉积温度为室温。

10、压电分流阻尼集成振膜

11、所述振膜还包括压电层和压电电极，所述压电层位于所述基材层与所述平面音圈之间，所述压电电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置于所述压电层靠近所述基材层的一侧，所述第二电极通过分布于所述平面音圈的走线间隙区域的微桥接点与所述平面音圈的至少部分走线段电学连接，使得所述压电层与所述平面音圈的至少部分走线段的固有电感构成无源并联谐振分流回路。第一电极通过走线间隙的引出电极与音圈走线另一端连接，或第一电极与音圈公共端接地连接。

12、在一种具体实现中，所述压电层为通过溅射沉积的c轴择优取向zno薄膜，厚度为50 nm~150 nm；所述微桥接点的直径为3 μm~10 μm，面内间距为1 mm~5 mm；所述无源并联谐振分流回路的谐振频率对应于所述振膜的目标分割振动频率。

13、制备方法：

14、步骤一，基材与底电极制备：选用厚度为2.0 μm的聚酰亚胺薄膜作为基材层；在所述基材层的磁体侧表面，采用电子束蒸发依次沉积cr粘附层10 nm和au导电层10 nm作为所述第一电极；采用光刻和离子束蚀刻将所述第一电极图形化为环形图案，所述环形图案的宽度为80 μm，覆盖所述平面音圈的走线间隙区域。

15、步骤二，压电层制备：在所述第一电极表面，采用rf磁控溅射沉积c轴择优取向的zno薄膜作为所述压电层，溅射靶材为纯度99.99%的zno陶瓷靶，掺杂1 wt%的al2o3以提高电导率；溅射气氛为ar与o2的混合气体，体积流量比ar:o2=80:20，总气压0.5 pa，rf溅射功率100 w，基板温度150°c，沉积时间25 min，沉积厚度100 nm；通过x射线衍射检测确认所述zno薄膜的(002)晶面衍射峰强度占比大于90%，确保压电活性。

16、步骤三，压电层图案化：在所述zno薄膜表面旋涂正性光刻胶，通过光刻和湿法蚀刻（稀hcl溶液，浓度0.5 mol/l，蚀刻时间15 s）将所述zno薄膜图形化为与所述第一电极重合的环形岛状阵列，所述环形岛的宽度为60 μm，相邻环形岛之间的间距为2 mm，以暴露后续形成微桥接点的区域。

17、步骤四，音圈与微桥接点同步制备：在图案化的所述zno薄膜和暴露的所述第一电极表面，依次溅射沉积cr粘附层20 nm和cu种子层100 nm；旋涂正性光刻胶至厚度1.2 μm，通过套刻曝光定义蛇形走线图案和微桥接点图案，所述蛇形走线的线宽为30 μm，线间距为90 μm，所述微桥接点的直径为5 μm，分布于所述走线间隙区域且面内间距为2 mm；电镀cu增厚至总厚度100 nm；所述微桥接点处的cu层直接覆盖于所述zno薄膜表面的所述第一电极暴露区域，形成所述第二电极与所述音圈走线的欧姆接触；去胶后以ar+离子束蚀刻去除多余cu种子层，形成独立的蛇形音圈走线和微桥接点阵列。第一电极通过走线间隙的引出电极与音圈走线另一端连接，或第一电极与音圈公共端接地连接。

18、步骤五，后处理：对整个振膜表面进行氧等离子体清洗，去除残胶和有机污染物；采用化学气相沉积法喷涂5 nm厚的聚对二甲苯c防护层。

19、在zno压电层上表面整面溅射沉积连续透明导电层（如ito 5 nm~20 nm，或超薄au层3 nm~10 nm）作为第二电极，该连续第二电极与分布于走线间隙的微桥接点形成欧姆接触，再通过微桥接点与音圈走线电学连接，构成无源并联谐振分流回路。

20、所述无源并联谐振分流回路的谐振频率由所述音圈走线段的固有电感l和所述压电层的等效电容cp共同决定，满足关系式)；通过调节所述微桥接点的面内间距和所述zno薄膜的沉积厚度，使得f0对准所述振膜的目标分割振动频率。

21、磁流变弹性体微岛局部增强

22、所述异质层组还包括磁流变弹性体微岛，所述磁流变弹性体微岛离散分布于所述平面音圈的走线间隙区域，所述磁流变弹性体微岛的厚度为50 nm~100 nm，面内等效直径为30 μm~60 μm。

23、在一种具体实现中，所述磁流变弹性体微岛在所述条形永磁体阵列产生的水平静态磁场作用下，其面内剪切模量相对于零磁场状态提高10倍以上，且所述磁流变弹性体微岛的分布区域与所述条形永磁体阵列的磁体间隙区域在面内投影上重合。

24、制备方法：

25、步骤一，基材与音圈制备：制备带有蛇形cu音圈走线的聚酰亚胺振膜基材。

26、步骤二，表面改性：对所述振膜的磁体侧表面进行氧等离子体处理，参数为：功率100 w，o2流量50 sccm，时间180 s；随后立即浸入1 wt%的3~氨丙基三乙氧基硅烷无水乙醇溶液，室温反应30 min；以去离子水冲洗并以n2吹干，在所述聚酰亚胺表面形成硅烷化单分子层，以提高后续有机硅聚合物的附着力。

27、步骤三，磁流变弹性体墨水配制：以聚二甲基硅氧烷预聚物sylgard(r) 184（a组分与b组分质量比10:1）为基体，掺入体积分数28%的羰基铁粉（basf carbonyl iron powderom，粒径3 μm~5 μm，表面经磷酸钝化处理）；添加2 wt%的气相二氧化硅aerosil(r) 200作为触变剂；通过三辊研磨机以25 μm辊距研磨3遍，使所述羰基铁粉均匀分散于所述聚二甲基硅氧烷基体中；以二甲苯稀释调节粘度至800 cp~1200 cp（25°c）。

28、步骤四，微喷墨打印：采用压电喷墨打印头（喷嘴直径50 μm，驱动电压30 v，脉冲宽度8 μs），将所述磁流变弹性体墨水打印于所述平面音圈的走线间隙区域；打印路径通过视觉对位系统以所述cu蛇形走线为基准进行套准，仅覆盖所述条形永磁体阵列的磁体间隙区域在所述振膜表面的面内投影区域；单个液滴体积约25 pl，落点精度±5 μm，打印后所述液滴在表面张力作用下铺展形成面内等效直径约40 μm、厚度约80 nm的扁平微岛；相邻微岛的中心间距为150 μm，呈六方密排分布。

29、步骤五，固化：将打印后的所述振膜置于80°c热板固化45 min，使所述聚二甲基硅氧烷基体完成交联反应；固化过程中不施加外部磁场，保持所述羰基铁粉在所述微岛内的各向同性分布。

30、步骤六，磁场激活：将固化后的所述振膜装入所述条形永磁体阵列的磁路中，所述条形永磁体为ndfeb永磁体，表面磁场强度为0.8 t~1.2 t；所述羰基铁粉在所述水平静态磁场作用下沿磁场方向形成链状聚集结构，使得所述微岛的面内剪切模量从约1.5 mpa提高至约25 mpa~30 mpa。

31、离子注入改性基材的径向模量梯度

32、所述基材层为经过离子注入改性的聚合物薄膜，所述基材层在面内不同区域具有不同的离子注入剂量，使得所述基材层的杨氏模量在面内呈非均匀分布。

33、在一种具体实现中，所述基材层的中心区（半径r<15 mm）的离子注入剂量高于所述基材层的边缘区（半径r>40 mm）的离子注入剂量，使得所述中心区的杨氏模量比所述边缘区的杨氏模量高20%~50%，且所述基材层的总厚度在离子注入前后保持不变。

34、制备方法：

35、步骤一，基材准备：选用厚度为2.0 μm的聚酰亚胺薄膜作为原始基材。

36、步骤二，离子注入剂量梯度形成：采用si+离子束对所述原始基材进行辐照，离子能量为100 kev，束流密度为5 μa/cm2；通过可移动掩模板控制注入区域，所述掩模板具有径向渐变开口，使得所述中心区的累积注入剂量为1×1015 ions/cm2，所述边缘区的累积注入剂量为3×1014 ions/cm2，中间区域呈连续梯度过渡；注入过程中所述原始基材的温度通过背面氦气冷却控制在80°c以下，防止热降解。

37、步骤三，后处理：离子注入后以去离子水清洗所述基材表面，去除可能的溅射沉积物；于150°c退火30 min，使辐照产生的自由基充分反应并稳定化。

38、步骤四，音圈制备：在离子注入改性后的所述基材层表面，制备蛇形cu音圈走线。

39、所述离子注入改性通过打断所述聚酰亚胺分子链中的部分c-n键和c-c键并诱导交联反应，在所述中心区形成更高密度的三维交联网络，从而提高局部杨氏模量；同时，由于注入剂量控制在低剂量区（<2×1015 ions/cm2），所述基材层未发生显著的碳化和脆化，断裂伸长率保持在30%以上。

40、非对称双轴取向基材的模态分裂

41、所述基材层为具有面内各向异性的双向拉伸聚合物薄膜，所述基材层在第一方向上的杨氏模量e1与在垂直于所述第一方向的第二方向上的杨氏模量e2的比值为1.1~1.4，且所述第一方向与所述平面音圈的蛇形走线的直线段延伸方向呈45°夹角。

42、在一种具体实现中，所述基材层为聚酰亚胺薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，通过控制纵向拉伸比与横向拉伸比的差异获得所述面内各向异性；所述纵向拉伸比为3.2~3.8，所述横向拉伸比为2.5~3.0。

43、制备方法：

44、步骤一，铸片：将聚酰胺酸前驱体溶液（固含量15 wt%，溶剂为n,n-二甲基乙酰胺）通过狭缝模头挤出至不锈钢带上，形成厚度为200 μm的湿膜；于80°c干燥10 min去除部分溶剂。

45、步骤二，非对称双向拉伸：将所述湿膜从所述不锈钢带上剥离，导入双向拉伸机；首先进行纵向拉伸，拉伸温度为120°c，拉伸比为3.5；随后进行横向拉伸，拉伸温度为130°c，拉伸比为2.7；所述纵向与横向的拉伸速度比为1.2:1；拉伸后立即于280°c热定型60 s，使所述聚酰胺酸亚胺化并形成聚酰亚胺；所得薄膜的纵向杨氏模量emd≈3.8 gpa，横向杨氏模量etd≈2.9 gpa，比值emd/etd≈1.31。

46、步骤三，取向对准：将所述非对称双轴取向薄膜裁切为圆形振膜，裁切时确保所述纵向（高模量方向）与所述平面音圈的蛇形走线直线段延伸方向呈45°夹角。

47、步骤四，音圈制备：在所述基材层表面制备蛇形cu音圈走线。

48、所述面内各向异性使得所述振膜的轴对称弯曲模态发生分裂，原本简并的(m,n)模态对分裂为两个频率不同的子模态，且所述子模态的频率差δf与所述杨氏模量比值(e1/e2)的平方根成正比；通过将所述高模量方向对准45°方向，所述分裂后的子模态振型在空间上交错分布，使得所述振膜在轴向上的声压辐射呈现扩散化效果。

49、音圈走线表面模量梯度层

50、所述异质层组还包括覆盖于所述平面音圈的至少部分走线段表面的模量梯度子层，所述模量梯度子层的杨氏模量与所述平面音圈的主体材料的杨氏模量不同，且所述模量梯度子层在所述振膜的面内呈非均匀分布。

51、在一种具体实现中，所述平面音圈的主体材料为cu，所述模量梯度子层为通过选择性电镀形成的ni-w合金纳米层，厚度为20 nm~50 nm，且所述模量梯度子层仅覆盖于所述振膜中心区的走线段表面。

52、制备方法：

53、步骤一，基材与音圈制备：制备厚度为2.0 μm的聚酰亚胺基材和厚度为100 nm的蛇形cu音圈走线，所述音圈走线的线宽为30 μm，线间距为90 μm。

54、步骤二，选择性掩模：在所述音圈走线表面旋涂正性光刻胶az(r) 1512至厚度1.5μm；通过套刻曝光，仅暴露半径r<15 mm的中心区的走线段表面，半径r>40 mm的边缘区的走线段表面被所述光刻胶覆盖保护；曝光对准精度优于2 μm。

55、步骤三，选择性电镀ni-w合金：将曝光后的所述振膜浸入氨基磺酸镍-钨酸盐电镀液，所述电镀液的组成为：氨基磺酸镍200 g/l、钨酸钠30 g/l、柠檬酸40 g/l、氯化镍10 g/l，ph值3.5，温度45°c；以所述cu音圈走线作为阴极，不溶性阳极，电流密度1 a/dm2，电镀时间5 min，在暴露的所述中心区走线表面沉积ni-w非晶合金纳米层30 nm；所述ni-w合金中w的原子分数为25%~35%，杨氏模量约350 gpa。

56、步骤四，去胶与清洗：以丙酮超声去胶3 min，去除覆盖于所述边缘区走线表面的光刻胶，露出原始的cu走线表面；以去离子水冲洗，n2吹干。

57、步骤五，后处理：对整个振膜表面进行氧等离子体清洗，去除残胶；采用化学气相沉积法喷涂5 nm厚的聚对二甲苯c防护层。

58、作用机理与预料不到的技术效果：所述中心区走线表面的ni-w合金纳米层将所述中心区音圈-基材复合结构的局部等效弯曲刚度提高约2.5倍，而所述边缘区保持cu的较低模量，形成径向模量梯度。同时，由于ni-w合金的维氏硬度达600 hv以上，远高于cu的120hv，所述中心区走线的耐磨性和抗电迁移性能显著提高。所述ni-w合金层的面密度增量仅为0.0004 g/cm2，对振膜的总质量影响小于2%，但高频分割振动起始频率被推后约2 khz。

59、本发明的有益效果为：

60、本发明在振膜面内不同区域设置至少两种杨氏模量不同的异质子层，并将异质子层配置于音圈走线间隙区域或覆盖于音圈走线表面，实现了振膜力学特性的局域化精确调控。中心区高模量子层显著提升了振膜中心区域的等效弯曲刚度，有效推后高频分割振动起始频率并抑制分割振动幅度；边缘区低模量子层维持了振膜边缘的柔顺特性，确保低频声压输出与振膜位移线性度。

61、压电分流阻尼集成方案利用音圈走线固有电感与压电层等效电容构成无源并联谐振回路，在目标分割振动频率处形成阻抗匹配，将机械振动能转化为电能并以焦耳热形式耗散，无需外接电路即可实现窄带振动抑制。磁流变弹性体微岛在音响永磁体提供的水平静态磁场作用下发生磁致硬化，其面内剪切模量提高十倍以上，且硬化区域与磁体间隙投影重合，实现了磁场自适应的局域刚度增强。

62、音圈走线表面选择性电镀的ni-w合金纳米层在中心区形成模量梯度，将局部等效弯曲刚度提高约2.5倍，同时将高频分割振动起始频率推后约2 khz，且面密度增量低于0.0004 g/cm2，对振膜总质量影响小于2%。此外，ni-w合金的高硬度显著改善了音圈走线的耐磨性与抗电迁移性能，提升了音响单元的长期工作可靠性。上述多种异质子层可独立或组合实施，使平板音响单元在宽频带内获得更为平坦的声压频率响应、更低的谐波失真及更优的耐久特性。