碳纳米管薄膜扬声器发展进程

朱东升，李 鑫

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

1 概述

现在使用的扬声器大多是由一个电磁线圈组成，当音频电流流经音圈时，由于电磁感应会在其周围产生一个可变磁场，在可变磁场和永磁体磁场的相互作用下，音圈受到交变驱动力，带动纸盆根据音频电流的输入频率振动，从而产生声音。但是这些线圈体积庞大，无法与标准的CMOS 技术集成。100 多年前，研究者首次提出了热声扬声器的概念[1]，相比于传统的扬声器利用音圈的振动来发出声音，热声扬声器则是通过在薄膜两端施加交流电，使得薄膜发热，周围的空气与其发生热交换从而产生声音，其基本原理图如图1 所示。用碳纳米管制备的薄膜扬声器结构非常简单，同时这种扬声器可以产生宽频率响应范围、高声压级、总谐波失真小和可制备在任意基底上的优势。随着电子产品朝着柔性可穿戴方向发展，用CNT 制备的柔性薄膜扬声器具有很大的潜力。

2 薄膜扬声器发展历程

CNT 薄膜扬声器的发展如图2 所示。1917年Aronld和Crandall[2]发明了一种700 纳米Pt 热致发声器，当低频交流电通过低电容的Pt 膜表面时，热量会被传递到周围空气中，空气会发生周期性的膨胀，从而发出声音，这是首次以纳米薄膜制备出了薄膜扬声器，但由于材料尺寸比较厚，导致扬声器的声压级和频率范围较低，声音几乎很难被捕捉到，因此在当时并未得到大范围推广，但为大家提供了一种通过薄膜来制备扬声器的方法。

近年来随着纳米材料和理论模型的迅速发展，基于热声效应的新型薄膜扬声器得以迅速发展。2008年，LinXiao[3]等人首次采用碳纳米管薄膜制备了悬浮的薄膜扬声器，这种器件与传统扬声器不同，这种纳米器件没有磁铁和可移动的部件，结果表明该扬声器在4.5W 的输入功率下，10kHz 频率时距离器件5cm 处测试声压级达到95Db，不仅声压级高而且具有总谐波失真小和频率范围宽等优点，其性能特点完全可以达到商用扬声器级别。此外这种薄膜扬声器的厚度仅仅几十纳米，并且是透明、柔软和可伸长的，它们可以被裁剪成任意形状和大小，这种器件可以放置在任何表面上包括墙壁、天花板、窗户、旗帜和衣服上面。即随着柔性可穿戴电子产品的增多，通过碳纳米管薄膜可用来构建商用柔性薄膜扬声器，应用场合大大增多，为大家使用商用耳机提供了更多的选择。同时理论模型证明了扬声器的声音大小与薄膜的单位面积比热容有关，即扬声器声压级大小与单位面积比热容成反比。这同时也解释了为什么700nm 厚的薄膜扬声器为什么性能不好，就是因为输入交流电之后薄膜本身产生的热量很大一部分被自身消耗掉，从而减少了向空气当中释放的能量，因此性能较差。

图1 碳纳米管薄膜扬声器原理图

2011年，LinXiao[4]等人为了提升悬浮碳纳米管薄膜扬声器的性能，研究了碳纳米管薄膜扬声器在氢气、氩气和氦气等不同气氛当中的声学性能，研究表明，该薄膜扬声器的频率响应范围在300Hz-100kHz，在距离生源11.5cm 距离处，输入功率在0.85W，100kHz 时下声压级可达到80DB，碳纳米管产生的声压与气体介质的热容量成反比，即在热容越小的气体介质中，薄膜发出声音的声压级越高。但对于大尺寸的碳纳米管薄膜，在较高的空气频率范围响应内，由于声波在近场区的破坏性干扰，其声压降低。该实验研究为提升薄膜扬声器的性能提供了更多的参考价值，可以进一步提升其商业化应用前景。

2013年魏洋[5]采用超顺排的碳纳米管薄膜制备了结构坚硬的热声碳纳米管扬声器，通过将超顺排碳纳米管细线薄膜集成到了带有图形化微槽的硅片上，获得了碳纳米管热声芯片，实现了扬声器的无振动发声。提出并验证了热声效应的温度波理论，同时定量确定了温度波的波长。结果表明，通过实验精确的控制凹槽的深度，从而可精确地控制碳纳米管薄膜与基底的距离，当凹槽深度小于温度波波长时，基底的存在会使薄膜上的热量部分传递到基底，由于薄膜表面产生的热量只有与空气进行热交换的部分会产生声音，其余部分仅仅用来使基底进行加热做无用功，所以导致热声转换效率较低，所以随着凹槽深度的增加，基底的影响不断减小，扬声器的声压级不断增大；当凹槽深度大于温度波长时，基底的存在将不会对该热声扬声器的性能产生影响，有利于碳纳米管细线热声芯片的应用。通过对器件结构的进一步优化，并实现了热声芯片的实用化，采用叉指电极使芯片的驱动电压在1W 的输入功率下驱动电压由40 伏降低到3 伏以下，使其可以缩小规模，应用于小型化扬声器，作者进一步成功制备了大规模微型芯片，并对其进行封装组装成耳机，通过设计电路解决了热声扬声器普遍存在的倍频效应，并在日常生活中进行连续使用一年，发现其并没有什么损坏，使用感觉与传统耳机相比并没有什么不同。此项研究不仅证明了此种结构的热声芯片可以与现有的商用耳机技术进行结合，直接制备成商用耳机，而且通过其组装成耳机之后可以稳定的工作一年证明了这种类型的扬声器具有相应的稳定性，但是这种耳机的尺寸与商用耳机的形状具有相似大小。但是它证明了以碳纳米管制备的热声芯片可以与半导体封装技术是兼容的，为薄膜扬声器与CMOS 集成技术进行结合，制备尺寸更小、声压级更高性能更优异的薄膜扬声器提供了参考。

2015年Blake[6]研究了迄今为止最小的热声系统，制备了2 微米单根悬浮的碳纳米管热声扬声器，此热声系统比以往报道的任何热声系统都要小四个数量级。研究结果证明了通过在8kHz 时向器件施加1.4V 的交流电压，可以采用商用麦克风检测到声音信号，声压范围在0.2 至1μPa，研究中测试的7 个器件的热声效率从0.007到0.6Pa/W，虽然此热声系统比以往报道的任何热声系统要小四个数量级，但是器件的热声转换效率较低，主要是由于这些碳纳米管的横向尺寸较小，导热系数高，导致了热量通过热传导传递到基底上面造成大量的热量损失，但通过理论证明了碳纳米管薄膜因为这种原因而造成大量的热量损失。虽然此器件的热声转换效率较低，但是它证明了单根碳纳米管可以用来制备热声器件，将其作为扬声器使用时具有优异的热声性能，为我们基于热声效应制备的微型扬声器并将其可用于商业应用提供了一个模型，与传统的扬声器相比在相同的尺寸下可以集成更多的应用，未来会吸引越来越多的研究者采用此材料进一步研究热声薄膜扬声器。

2017年邢倩荷[7]，对碳纳米管薄膜扬声器的声场特性进行了研究，研究结果表明：碳纳米管薄膜扬声器的声压随着频率升高而增大，在低中频上升迅速，3000Hz 以后趋于平缓；在远场，随着测点到薄膜的距离增大，声压逐渐减小；在近场，并非严格的平面波，计算值与测试值误差较大，已有的理论公式需要修正。此结果为研究者进一步研究碳纳米管薄膜扬声器提供了理论参考。

图2 碳纳米管薄膜扬声器发展进程

2019年Romenov[8]采用气溶胶化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管薄膜构建了薄膜扬声器，并建立了一个理论模型来预测声波传播的方向，同时系统的研究了器件性能与薄膜厚度和纯度的关系。通过采用电阻加热法去除碳纳米管薄膜中的催化剂颗粒，提升了薄膜的纯度，降低了薄膜的单位面积比热容，并从理论证明了单壁碳纳米管具有极低的单位面积比热容，构建的厘米级薄膜扬声器可在1-100kHz 内实现频率响应。与其它结果相比，在等效条件下此种气凝胶结构的薄膜扬声器其热声转换效率是其它材料的四倍，通过进一步减薄和纯化单壁碳纳米管薄膜，在1W 的输入功率下，在3 厘米距离处测得声压级101Db，这是目前所报道的基于热声效应声压级最大的扬声器，从结果来看目前为止制备的碳纳米管薄膜扬声器其性能可达到与传统电磁式、压电式扬声器相似的优异性能，但这种热声扬声器结构及其简单，制备工艺简单，对未来采用碳纳米管作为商用薄膜扬声器提供了性能支持。

3 挑战与展望

虽然碳纳米管薄膜扬声器具有很多优点，但当前的研究主要还是集中于基于厘米级别的器件，并且与传统扬声器相比较，声压级在大于10kHz 时性能较好，小于10kHz 时性能较差；热声转换效率低；作为柔性可穿戴时产品时如何控制扬声器温度也是一个重要问题；如何将其应用到实际的产品中制备性能优异的商用扬声器，并进行大规模制备是一个巨大的挑战。但碳纳米管薄膜具有优异的性能，与传统扬声器相比体积较小、制备工艺简单，可与CMOS 集成技术进行结合，制备相应的微型扬声器产品。随着电子器件朝着柔性可穿戴技术以及尺寸越来越小的方向发展，以碳纳米管薄膜来构建微型、商用的柔性薄膜扬声器具有巨大的潜力。