嗅觉显示器表面声学波原子发生器效率的增强方法

摘要

本文建立了一种用非晶态聚四氟乙烯薄膜在表面声波 (saw) 装置表面涂覆的方法, 以提高应用于嗅觉显示所需的雾化效率。

摘要

由于嗅觉是人机界面中的一个重要意义, 我们开发了一种使用表面声波 (saw) 雾化器和微分配器的嗅觉显示。在这个嗅觉显示中, 雾化的效率很重要, 以避免人类嗅觉接口中经常遇到的气味持久性问题。因此, saw 器件涂覆无定形聚四氟乙烯薄膜, 改变基板性质, 从亲水性转变为疏水性。在聚四氟乙烯涂层之前, 还必须对压电基板表面进行硅化, 以增强薄膜的附着力。采用浸渍法, 在基板上获得均匀的涂层。高速电磁阀由于精度高、重现性高, 被用作微分配器, 将液滴喷向 saw 装置表面。然后, 在疏水基板上雾化变得更加容易。本研究研究了雾化后用于最小化基板上剩余液体的非晶素化涂层。此处描述的协议的目的是展示用非晶态聚四氟乙烯薄膜涂覆 saw 器件表面的方法, 并使用 saw 雾化器和微型分配器产生气味, 然后进行感官测试。

引言

虽然刺激视觉和听觉的装置很流行, 但我们无法呈现我们感知到的所有感觉;不过, 我们通常只能用这两种感觉来呈现一种感觉。嗅觉显示是一种小工具, 可以呈现气味, 它在虚拟现实中使用, 以便用户可以感知^{气味 1,2,3}, 4^{, 5,6, 7}。由于嗅觉对情绪的贡献很大, 嗅觉刺激是增强现实所不可缺少的。我们以前研究过有香味^8、9 的电影、动画和游戏。

几位研究人员研究了嗅觉显示器;例如, yanagida 研究了一种气味投影仪, 即使周围没有人感知到它 1, 它也能向特定的人提供一种气味.山田等人利用气味浓度2的简单高斯分布模型^,研究了虚拟空间中的气味源定位。kim 等人提出了气味释放装置的二维阵列的概念^.此外, 还提出了简单的可穿戴嗅觉显示器和控制这些气味方向的超声波相控阵, 以控制这些气味的方向。

嗅觉显示中的问题之一是嗅觉持久性。即使在气味被改变到空气或其他气味之后, 用户也可能会检测到这种气味。由于在虚拟现实中, 最好尽快在气味之间切换, 因此应研究气味持久性问题。

我们研究了嗅觉显示的功能, 混合了许多成分。我们以前开发的这个系统使用电磁阀与高速开关¹⁰。虽然它稳定地混合了许多成分, 我们还不能解决气味持久性的问题。因此, 我们开发了使用微型分配器和 saw 雾化器¹¹的嗅觉显示。虽然类似的技术已被用来操纵液体液^{滴 12,13,}14, 我们将其应用于气味的产生。saw 装置适用于雾化液滴, 因为它能瞬间雾化^液滴 15^,16;然而, 我们发现, 在雾化后, 微小的液滴停留在压电基板上。这些微小的液体液滴导致气味持久性, 即使大部分液体是雾化的。

通常情况下, 香水溶解在溶剂中, 如乙醇, 以降低粘度。然而, 稀释后的香水由于其亲水性, 扩散到压电基板表面, 当薄膜扩散时, 雾化效率会下降。因此, 即使在雾化后, 液体的一部分仍然存在, 即使 rf 功率增加, 也无法去除。由于溶剂很快就会蒸发, 只有香水停留在基板上并粘附在基板上。

在本研究中, 我们用薄的非晶素薄膜覆盖压电基板表面, 使其在本质上变得疏水。由于我们可以将液滴状球体保持在疏水表面, 因此从基板表面分离液体所需的能量会减少。当 saw 器件表面变得疏水时, 预计雾化效率会提高。该方法的总体目标是提高雾化效率, 使气味立即呈现, 并在呈现后迅速消失, 最终应用于嗅觉显示。本文介绍了 saw 器件是如何涂覆无定形聚四氟乙烯薄膜的, 并在参考¹⁷中说明了雾化效率的提高及其实验结果。

研究方案

这里描述的方法已经得到了东京理工学院人类研究伦理委员会的批准。

1. saw 器件的制备和检查阻抗

1. 在 linbo₃基板上准备一个 10 mhz saw 器件 [128^o旋转 y 形切割, x 传播, 与 idt 的21个手指对 (间消化传感器)], 以及由32个手指对在一个 idt 侧制成的反射器, 如图1a 所示。
   注:图 1b显示了雾化原理。saw 在液滴处转换为纵波。如果 saw 能量足够大, 就会产生雾。
   注: saw 器件是制造商根据作者设计的电极图案, 采用典型的光刻技术制作的。由于机电耦合系数高, 选择了上述压电基板。
2. 使用铝箔和导电浆料将 saw 设备安装在连接 sma 连接器的铝制印刷电路板上 (为此 saw 设备设计) (图 2)。
   注: 铝制印刷电路板对热辐射有效。
3. 使用网络分析仪测量阻抗的频率特性。saw 设备通过印制电路板的同轴电缆连接连接到分析仪。频率特性应显示设备的虚拟部分进入零的频率, 即 saw 器件的共振频率。
   注意: 当设备中的声学损耗较大时, 不会发生雾化。通过测量阻抗的频率特性, 可以检查声损耗。当 saw 器件涂覆聚四氟乙烯薄膜时, 应监测涂布前后的频率特性之间的差异, 以检查薄膜是否太厚。

2. 硅化

1. 制备氨基硅烷偶联剂 (3-hhmino丙基三乙氧基硅烷)。使用移液器将其浓度调整到水中的 0.5% (v/v)。
   注: 硅化是强制性的, 以增强无定形聚四氟乙烯涂层的附着力。如果不进行硅烷化, 则在雾化过程中去除特氟龙涂层。
2. 使用浸过丙酮的棉签清洁 saw 设备的表面。
3. 将设备设置在浸渍涂布机上 (图 3)。
   注: 使用修补胶带固定 saw 装置的印刷电路板连接到浸渍涂布机上, 因为 saw 装置 (0.5 mm) 的厚度太薄, 无法直接连接到浸渍涂布机上。
4. 将设备拉下, 使雾化区域以 0.2 mms 的速度浸入溶液中, 将设备保持在溶液中5分钟。
5. 以 1.7 mm/s 速度将设备拉起来, 将设备保持在空中5分钟。
6. 用纯净水冲洗设备1分钟。
7. 将设备保持在空气中30分钟。

3. 非晶素涂布

1. 制备无定形聚四氟乙烯材料和溶剂进行稀释。使用溶剂将非晶素化聚四氟乙烯溶液的浓度调整到 3% (v/v)。
2. 将设备设置在浸渍涂布机上 (图 3)。
   注: 由于均匀涂层是不可缺少的, 因此采用了浸渍涂层。粗糙的涂层以及太厚的涂层可能会导致由于 saw 衰减而导致雾化效率的恶化。
3. 将设备拉下, 使雾化区域以 0.2 mm 的速度浸入溶液中, 将设备保持在溶液中15秒。
4. 以 1.7 mm2 的速度将设备拉起来, 将设备保持在空中5分钟。
5. 将设备拉下, 使雾化区域以 0.2 mm 的速度浸入溶液中, 将设备保持在溶液中15秒。
6. 以 1.7 mm2 的速度将设备拉起来, 将设备保持在空中30分钟。
7. 使用热板在180°c 下烘焙设备60分钟。
   注: 根据石英晶体微平衡 (qcm) 测量, 涂层厚度约为400纳米。

4. 雾化实验设置

1. 将 saw 设备安装在印刷电路板上。
   注意: 由于 saw 器件的厚度为 0.5 mm, 因此很容易损坏。因此, 有必要机械地支持它。
2. 使用网络分析仪测量 saw 器件阻抗的频率特性。saw 器件通过印刷电路板的同轴电缆连接到分析仪。频率特性应显示设备的虚拟部分进入零的频率, 即 saw 器件的共振频率
   注意: 检查 saw 设备上的射频衰减。当 saw 设备被不适当地涂覆时, 其损耗会增加。这种损失的增加通常是由于涂层不均匀性或涂层厚度过大造成的;因此, 应比较涂层前后的阻抗特性。如果 saw 衰减太大, 则无法执行雾化。
3. 通过射频功率放大器将 saw 设备连接到功能发生器。
4. 在函数发生器上设置 rf 突发信号的波形 (图 4a)。saw 器件的突发信号应该是正弦波, 其占空比应该是10%。波频率也应设置为从阻抗特性测量中获得的 saw 器件谐振频率。
5. 将突发方波发生器连接到电磁阀 [即通过驱动电路的微型分配器 (图 5)], 以便向分配器提供 24 v 脉冲信号, 讨论¹⁸也提到了这一点^,19岁
   提示: 用于驱动电磁阀, 晶体管阵列非常方便。在本研究中, 使用晶体管阵列最多可以驱动八个电磁阀。
6. 设置微型泵, 使液体向微型分配器流动压力 (图 5)。微型泵支持微型分配器^{20 的}自吸能力。
7. 如有必要, 请使用红外测温仪测量 saw 设备的温度。
   注意: 当射频突发信号 (85 vp-p 和10% 占空比) 应用5分钟时, saw 器件表面的温度通常在45°c 左右。

5. 雾化

1. 将液体 (即用乙醇稀释的香味或化学物质) 放入小瓶中。
2. 设置应用于微型分配器的脉冲信号的波形 (图 4b)。脉冲信号是一个具有10% 占空比的方波脉冲序列, 由函数发生器产生。
3. 将脉冲信号应用到微型分配器上, 将液滴喷射到 saw 设备¹⁸上。由于微分配器中的单个液滴只有几个纳米级, 因此需要一个脉冲序列来形成一个更大的液滴进行雾化。
4. 将射频突发信号应用于 saw 器件, 以雾化液滴 17.在液滴形成后, 从函数发生器通过放大器施加突发信号。只要雾化过程中仍产生蒸汽, 就应应用该信号。
   注意: 射频突发信号用于调整平均射频功率。如果射频功率远远大于 2 w, saw 器件可能会出现裂纹。
5. 观察 saw 装置的表面, 检查剩余的液滴。
6. 对于裸露的 saw 设备, 执行步骤4.1-4.7 和5.1-5.5 中所做的相同过程。然后, 将涂层基板上剩余液体液滴的数量与裸液片上剩余液滴的量进行比较。

6. 检测气味

1. 按照步骤5.1 中的步骤, 将液体放入小瓶中。
2. 使用插孔调整 saw 雾化器的高度, 使其高度保持与参与者的鼻子相等。
3. 将液体分配到 saw 设备上。
4. 打开风扇。
5. 允许参与者检测气味。
   注: 作者做了感官测试, 而不是 voc 分析仪在以前的工作中使用, 因为感知强度, 而不是蒸汽浓度应进行评估。

结果

在裸露和涂布的 linbo₃基板上放置了一升乙醇 (乙醇通常用作香水的溶剂)。乙醇溶液扩散到基板上后形成了薄膜 (图 6a);另一方面, 球状的形状保持在涂层基板上 (图 6b)。非晶素涂布后, 一微升水的接触角从50度增加到 110度 (图 6c和6c)。研究发现, 非晶素化膜增强了疏水性质。液滴的球状形状保存在涂层基板上, 而液体在裸露的基板上扩散成薄膜。

接下来, 进行了薰衣草 200 nl 雾化实验 (图 7)。随后的无雾化图像和带涂层的图像分别如图 7a和7a 所示。照片中的时间刻度是从数码相机记录的帧数中获得的。薰衣草用乙醇稀释 (稀释率: 50:1 v)。在裸露的基板上, 液体在被分配后立即扩散。在33毫秒时, 强烈雾化发生在液体的中心, 而只有有限的雾产生在液体边缘内的圆, 如图7a 所示。在100毫秒时, 雾化停止;所以, 虽然雾化发生在第一, 它停止后不久。随后, 部分液体依然存在。当溶剂迅速蒸发时, 部分溶质停留在基板表面;因此, 剩余的溶质导致了严重的气味持久性。另一方面, 在配制后, 在涂层基板上保持了接触角超过90度的球状形状 (图 7b)。雾化过程中产生了浓雾。雾化后, 在较小的区域中留下的液体比裸基板少得多。由于剩余的液体表面不光滑完整, 而是形成小的单滴, 很难准确计算聚四氟乙烯涂层上液滴的覆盖范围。粗略地说, 疏水表面的剩余液体最多只有亲水表面的10%。

图 1: saw 雾化器.(a) saw 装置的配置和 (b) saw 雾化器的原理。其电极由金和铬组成。图 1a以权限²⁰重新打印。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2: 印刷电路板上的 saw 设备。

图 3: 本研究中使用的潜水器。

图 4: 时间序列.(a) 射频突发信号的波形。v_pp和 t_r的典型值分别为 85_{v p-p}和 1 s。一个典型的占空比, 如 t_h/t_{r 是}10%。(b) 适用于微型分配器的波形。典型的 tw、t 和 n 分别为1毫秒、10毫秒和70脉冲。

图 5: 雾化液滴的实验设置.请点击这里查看此图的较大版本.

图 6: 裸底和涂层亚包液液滴形状的比较.显示的是 (a) 裸的镍酸锂表面薄膜的顶部视图和涂层表面的 (b) 液滴的侧面视图。(a) 和 (b) 都使用了一微乙醇。在这里, (c) 和 (d) 分别在裸露和涂层基板上显示一微升水的侧面视图。经允许转载了这一数字17。请点击这里查看此图的较大版本.

图 7: 液滴雾化.显示的是 (a) 亲水表面 (裸露的镍酸锂) 和 (b) 疏水表面 (涂有非晶态聚四氟乙烯涂层的基板)。样品为200升薰衣草。经允许转载了这一数字17。请点击这里查看此图的较大版本.

图 8: 基于电磁阀的微型分配器.显示的是 (a) 微型分配器的原理和 (b) 单个通道的驱动电路。此数字在获得许可20的情况^下重新打印。请点击这里查看此图的较大版本.

图 9: 采用非晶态聚四氟乙烯薄膜涂层的 saw 雾化器的应用.2018年在日本东京举行的智能用户界面 (iui) 研讨会的研究演示。

讨论

本研究的关键部件之一是由 18^、19高速电磁阀制成的微型分配器。图 8a显示了该微型分配器的工作原理。柱塞是由电磁线圈驱动的。在 off 阶段, 柱塞完全关闭其出口。柱塞在短 on 阶段快速移动以在前面提取液体, 然后返回到原来的位置, 并从电磁阀的一个孔口喷射一个微小的液滴, 该口由图 8b所示的电路驱动。一个液体液滴的量是几个纳米粒。该阀的频率在1至 1000 hz 之间, 其最小脉冲宽度为 0.5 ms, 并且比典型的电磁阀工作得快得多。电磁阀孔口与基板之间的典型距离为 1 5 毫米。本研究表明, 液体的用量是精确的、可重复的;此外, 它是强大的泡沫。

当使用基于 saw 雾化器的嗅觉显示21时, 由于非晶素特氟龙涂布, 气味持久性可以大大降低.当使用专用于将溶剂输送到基板表面进行清洗的通道时, 它可以得到进一步改进。

协议中的关键步骤是在雾化器偏离最优时手动调整其励磁频率。这应该在将来自动执行。最初的协议的一个修改是包括硅化过程, 因为聚四氟乙烯涂层本身没有硅化是雾化的。

还有两个问题限制了这一技术, 一个是驻波问题。当在基板边缘发生反射时, 就会产生驻波。由于反极子和节点周期性出现, 在节点上雾化变得很弱。虽然我们用硅胶来抑制驻波, 但这还不够。更好的材料来吸收声能是必要的。

第二个限制是特氟龙涂层的耐久性。在对液体雾化多次后, 特氟龙涂层被部分去除。由于目前涂料的使用情况还没有得到广泛的研究, 因此可以对其进行优化, 以提高特氟龙涂层的耐久性。

然而, 该议定书对现有方法的意义在于, 与不含涂层的涂层相比, 表面雾化后剩余液体的减少。因此, 气味持久性大大减少, 如其他地方^所述17。使用此 saw 设备, 演示嗅觉显示。8个组件的嗅觉显示, 以显示卡西斯, 橙色, 威士忌, 和他们的混合物被呈现给用户与头部安装显示 (图 9)¹⁹。在这种情况下, 具有所建议涂层的 saw 设备可以很好地抑制气味持久性, 否则会大大降低气味呈现的质量。

这里描述的技术对嗅觉显示很重要。此外, saw 雾化器还适用于医疗用雾化器和质谱电喷雾电离。在这些应用中也需要雾化效率。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
SAW device	Lightom		Custom-made
Network analyzer	SDR-kits	DG84AQ VNWA 3E
Dip coater	Aiden	DC4300
Silane coupling agent	Shin-etsu Chemical	KBE 903
Cytop amorphous teflon coating	Asahi glass	CT107MK
Solvent for diluting cytop coating	Asahi glass	CT-SOLV100K
Solenoid valve	Lee	INKA2438510H
Transistor array	Texas Instrument	ULN2803A
RF power amplifier	Mini-Circuits	ZHL-5W-1
Digital camera	Panasonic Corp	DMC-FZ300
Head Mount Display	Occulus	Occulus Rift Headset
Hot plate	As One	HHP-170A