Método de mejora de la eficacia de la onda acústica superficial-atomizador para la exhibición olfativa

Resumen

Aquí establecemos un método para el revestimiento de la superficie de un dispositivo de onda acústica superficial (SAW) con película de teflón amorfa para mejorar la eficiencia de la atomización necesaria para su aplicación a una exhibición olfativa.

Resumen

Ya que el olfato es un sentido importante en interfaces humanos, hemos desarrollado una exhibición olfativa utilizando un atomizador de onda acústica superficial (SAW) y dispensadores de micro. En esta exhibición olfativa, la eficiencia de la atomización es importante para evitar problemas de persistencia de olor a menudo encontrados en interfaces olfativas humanas. Así, el dispositivo de sierra está cubierto con película de teflón amorfa para cambiar la naturaleza del sustrato de hidrofílico a hidrofóbico. También es necesario silanize la superficie del sustrato piezoeléctrico antes de recubrimiento de teflón para mejorar la adhesión de la película. Se adoptó un método de la capa de inmersión para obtener una capa uniforme en el sustrato. La válvula solenoide de alta velocidad fue utilizada como dispensador de micro al tubo una gota de líquido a la superficie del dispositivo de sierra ya que su exactitud y reproducibilidad fueron altas. Entonces, la atomización se convirtió en más fácil en el sustrato hidrofóbico. En este estudio, se estudió el amorfo de teflón para reducir al mínimo el líquido restante sobre el sustrato después de atomización. El objetivo del protocolo descrito aquí es mostrar los métodos para el revestimiento de una superficie de dispositivo de sierra con película de teflón amorfa y generar el olor usando el atomizador de sierra y un dispensador de micro, seguido de una prueba sensorial.

Introducción

Aunque los dispositivos para estimular los sentidos visuales y auditivos son populares, no podemos presentar todas las sensaciones que percibimos; sin embargo, normalmente podemos presentar una sensación usando sólo estos dos sentidos. Una exhibición olfativa es un gadget que puede presentar un olor, y se utiliza en la realidad virtual para que un usuario puede percibir aromas^{1,2,3,4,5,6, 7}. Ya que el olfato contribuye en gran medida a las emociones, un estímulo olfativo es indispensable para mejorar la realidad. Anteriormente hemos estudiado películas, animaciones y juegos con aromas^8,9.

Varios investigadores han estudiado muestra olfativa; por ejemplo, Yanagida ha estudiado un proyector de aroma que ofrece un aroma a una persona especificada incluso cuando nadie alrededor de él o ella percibe¹. Yamada et al han estudiado una localización de la fuente de olor en el espacio virtual usando un modelo simple Gauss de distribución de la concentración de olor². Kim et al han propuesto el concepto de matrices bidimensionales de dispositivos liberadores de olor ³. Por otra parte, simple muestra olfativa usable y el arsenal ultrasonido para el control de la dirección de estas esencias han sido propuesto^4,5,6.

Uno de los problemas en pantalla olfativa es persistencia del olor. Un usuario puede detectar el olor aún después de que se pretende cambiar el aire o el otro olor. Puesto que es preferible alternar olores tan pronto como sea posible en la realidad virtual, debe estudiarse el problema de la persistencia de olor.

Hemos estudiado la pantalla olfativa con una función de mezcla de muchos ingredientes. Previamente, hemos desarrollado este sistema con electroválvulas de conmutación alta velocidad¹⁰. Aunque estable combina muchos ingredientes, podríamos no aún solucionar el problema de la persistencia del olor. Así, desde entonces hemos desarrollado la pantalla olfativa con micro-dispensadores y un atomizador de sierra¹¹. Aunque se han utilizado técnicas similares para manipular gotitas líquidas^12,13,14, aplicamos para la generación del olor. La Sierra es apto para atomización gotitas líquidas ya que pueden atomizar gotitas líquidas instantáneamente^15,16; sin embargo, hemos encontrado que pequeñas gotas de líquido permanecer sobre un sustrato piezoeléctrico después de la atomización. Estas pequeñas gotas de líquido causan persistencia del olor, aunque la mayor parte del líquido es atomizado.

Típicamente, un perfume se disuelve en un solvente como etanol para reducir la viscosidad. Sin embargo, perfume diluido se extiende sobre la superficie de un sustrato piezoeléctrico debido a su naturaleza hidrofílica, y la eficiencia de la atomización se deteriora cuando se separa de película delgada. Así, una parte de los restos de líquido incluso después de la atomización, que no se puede quitar aunque aumenta la potencia de RF. Puesto que el solvente se evapora pronto después de, sólo el perfume permanece en el y se pega al sustrato.

En este estudio, nos cubra la superficie de un sustrato piezoeléctrico con fina capa de Teflon amorfo por lo que se vuelve hidrofóbico en la naturaleza. Ya que podemos mantener la esfera de la gota-como en la superficie, disminuye la energía requerida para separar el líquido de la superficie del sustrato. Se espera que una eficiencia de atomización se mejora cuando la superficie del dispositivo de sierra se vuelve hidrofóbica. El objetivo general de este método es mejorar la eficiencia de la atomización que un aroma se presenta inmediatamente y puede desaparecer rápidamente después de su presentación, en última instancia para aplicación olfativa Mostrar. En este artículo mostramos cómo un dispositivo de sierra está cubierto con película de teflón amorfa y demostrar la mejora de la eficiencia de la atomización y sus resultados experimentales fueron descritos en la referencia¹⁷.

Protocolo

Los métodos aquí descritos han sido aprobados por el humano investigación ética Comité de Tokyo Institute of Technology.

1. preparación del dispositivo y comprobar la impedancia de la Sierra

1. Preparar un dispositivo de Sierra de 10 MHz en sustrato LiNbO₃ [128^o-girar Y de corte, X propagación, con 21 pares de dedos de un IDT (transductor inter-digitated)], junto con reflectores hechos de 32 pares de dedos a un lado de la IDT, como se muestra en la Figura 1a.
   Nota: La Figura 1b muestra el principio de la atomización. La sierra se convierte en una onda longitudinal en la gota de líquido. Niebla se genera debido a la transmisión acústica, si la energía de la Sierra es lo suficientemente grande.
   Nota: El dispositivo de Sierra fue fabricado por el fabricante usando litografía foto típica según el patrón de electrodo que los autores diseñaron. El sustrato piezoeléctrico mencionado fue seleccionado debido a un coeficiente alto acoplamiento electromecánico.
2. Monte el dispositivo de sierra con papel de aluminio y pasta conductora en un tablero del circuito impreso de aluminio (diseñada para este dispositivo de sierra) donde se une el conector SMA (figura 2).
   Nota: Una placa de circuito impreso de aluminio es eficaz para la radiación de calor.
3. Medir la frecuencia característica de impedancia utilizando un analizador de red. La sierra se conecta al analizador a través de una conexión de cable coaxial de la placa de circuito impreso. Características de frecuencia deben mostrar frecuencias donde la partes imaginarias de la admitancia de dispositivo van a cero, que son las frecuencias de resonancia de dispositivo de sierra.
   Nota: Cuando pérdida acústica en el dispositivo es grande, no se produce la atomización. La pérdida acústica puede comprobarse mediante la medición de la característica de la frecuencia de la impedancia. Cuando el aparato de sierra está cubierto con película de teflón, la diferencia entre las características de frecuencia antes y después de la capa debe ser supervisada para comprobar si la película es demasiado gruesa.

2. silanización

1. Preparar al agente de acoplamiento silano amino basado (silano 3-ahhminopropyltriethoxy). Ajustar su concentración al 0.5% (v/v) en agua con una pipeta.
   Nota: Silanización es obligatorio para mejorar la adhesión de amorfo de teflón. Revestimiento de teflón se elimina durante la atomización, si no se realiza la silanización.
2. Limpie la superficie del dispositivo de sierra con un bastoncillo de algodón humedecido con acetona.
3. Ajuste el dispositivo en un recubridor de inmersión (figura 3).
   Nota: Un circuito impreso tablero donde el dispositivo de sierra se fija con cinta de la reparación se une a un recubridor de inmersión, puesto que el grueso del dispositivo de sierra (0.5 mm) es demasiado fino para fijarse directamente a la máquina de pintar del dip.
4. Tire hacia abajo el dispositivo para que el área de atomización puede estar inmerso en la solución a una velocidad de 0.2 mm/s. mantener el dispositivo en la solución durante 5 minutos.
5. Tire hacia arriba el dispositivo a una velocidad de 1.7 mm/s. Mantenga el aparato en el aire por 5 minutos.
6. Enjuague el dispositivo en agua pura durante 1 minuto.
7. Mantenga el aparato en el aire durante 30 minutos.

3. amorfo de teflón

1. Preparar el material amorfo de teflón y solvente para diluir. Ajustar la concentración de la solución de teflón amorfa al 3% (v/v) con el solvente.
2. Ajuste el dispositivo en un recubridor de inmersión (figura 3).
   Nota: Capa de Dip se adoptó aquí puesto que el recubrimiento uniforme es indispensable. Capa áspera, así como la capa es demasiado gruesa puede causar deterioro de la eficiencia de la atomización debido a la atenuación de la sierra.
3. Tire hacia abajo el dispositivo para que área de atomización se sumerge en la solución a una velocidad de 0.2 mm/s. mantener el dispositivo en la solución durante 15 s.
4. Tire hacia arriba el dispositivo a la velocidad de 1.7 mm/s. Mantenga el aparato en el aire por 5 minutos.
5. Tire hacia abajo el dispositivo para que área de atomización se sumerge en la solución a una velocidad de 0.2 mm/s. mantener el dispositivo en la solución durante 15 s.
6. Tire hacia arriba el dispositivo a la velocidad de 1.7 mm/s. Mantenga el aparato en el aire durante 30 minutos.
7. El dispositivo a 180 ° C durante 60 min utilizando una placa de hornear.
   Nota: Espesor de la capa era aproximadamente 400 nm según medida de cristal de cuarzo microbalanza (QCM).

4. experimental puesta en marcha para la atomización

1. Monte el dispositivo de sierra sobre una placa de circuito impreso.
   Nota: Puesto que el grueso del dispositivo Sierra es 0.5 mm, puede ser fácilmente roto. Por lo tanto, es necesario soportar mecánicamente.
2. Medir la frecuencia característica de la impedancia del dispositivo de sierra utilizando un analizador de red. La sierra se conecta al analizador a través de una conexión de cable coaxial de la placa de circuito impreso. Características de frecuencia deben mostrar frecuencias donde la partes imaginarias de la admitancia de dispositivo van a cero, que son las frecuencias de resonancia de dispositivo de Sierra
   Nota: Revise la atenuación de RF en el dispositivo de sierra. La pérdida del dispositivo Sierra aumenta cuando está inadecuadamente recubierto. Este aumento de la pérdida se produce normalmente debido a la inhomogeneidad de la capa o espesor excesivo de la capa; por lo tanto, se deben comparar las características de impedancia antes y después de la capa. La atomización no puede realizarse si la atenuación de la Sierra es demasiado.
3. Conecte el dispositivo de sierra a un generador de funciones a través de un amplificador de RF.
4. Establecer la forma de onda de la señal de burst de RF en un generador de funciones (figura 4a). La señal del estallido para el dispositivo de sierra debe ser una onda sinusoidal, y su ciclo de trabajo debe ser 10%. También se debe definir la frecuencia de la onda a la frecuencia de resonancia de dispositivo de sierra obtenida de las mediciones de impedancia característica.
5. Conectar un generador de onda cuadrada de explosión a una válvula de solenoide [es decir., micro-dispensador a través de un circuito de conducción (figura 5)] para que una señal de pulso de 24 V se puede suministrar en el depósito, que también se menciona en la discusión^{18, 19}.
   Sugerencia: Para conducir las válvulas de solenoide, una matriz de transistores es conveniente. Hasta ocho solenoide válvulas pueden ser conducidas usando la matriz de transistores en este estudio.
6. Establecer la micro bomba para aplicar presión a fluir el líquido en el depósito de micro (figura 5). La bomba micro soporta la capacidad autocebante de la micro-dispensador²⁰.
7. Utilice un termómetro infrarrojo para medir la temperatura del dispositivo de sierra, si es necesario.
   Nota: La temperatura en el dispositivo de la sierra superficie típicamente alcanza alrededor de 45 ° C cuando la RF señal (Vp-85 p y ciclo de trabajo 10%) se aplica por 5 min.

5. atomización

1. Poner el líquido (es decir., fragancia o producto químico diluido con etanol) en un frasco.
2. Establecer la forma de onda de la señal de impulso aplicada a un micro-dispensador (Figura 4b). La señal de pulso es una secuencia de impulsos de onda cuadrada con un ciclo de trabajo 10% y se genera con un generador de funciones.
3. Aplique la señal de pulso en el distribuidor de micro a una gota de líquido del jet para el dispositivo de sierra¹⁸. Puesto que una sola gota del dispensador micro es sólo unos pocos nanolitros, una secuencia de pulso es necesario para formar una gota más grande para la atomización.
4. Aplique la señal de burst de RF al dispositivo de sierra para atomizar gotitas líquidas¹⁷. La señal de burst se aplica de un generador de funciones a través de un amplificador después de la formación de las gotitas de líquido. La señal debe ser aplicada para como vapor todavía es generado por el proceso de atomización.
   Nota: La señal de burst de RF se utiliza para ajustar la potencia de RF media. El dispositivo de sierra que tenga una grieta si la energía de RF es mucho más grande que 2 w.
5. Observar la superficie del dispositivo de sierra para inspeccionar la gota de líquido restante.
6. Realizar el mismo procedimiento como en los pasos 4.1-4.7 y 5.1-5.5 para una pelada Sierra dispositivo. Luego, comparar la cantidad de gotas de líquido restante en el sustrato revestido con eso del desnudo.

6. detección de aromas

1. Poner el líquido en un frasco como en el paso 5.1.
2. Ajuste la altura de la sierra atomizador utilizando a un gato para que su altura es igual a la nariz del participante.
3. Dispensar el líquido en el dispositivo de sierra.
4. Encienda el ventilador.
5. Permitir al participante detectar el olor.
   Nota: Los autores hicieron la prueba sensorial en lugar de analizador de compuestos orgánicos volátiles utilizado en el trabajo anterior desde la intensidad percibida en lugar de concentración de vapor debe ser evaluado.

Resultados

Un microlitro de etanol se colocó en desnudo y recubiertos LiNbO₃ sustratos (etanol se utiliza normalmente como un solvente para el perfume). Una película delgada de solución de etanol se formó después de que se separó en el sustrato (Figura 6a); por otra parte, se mantuvo la forma de esfera sobre el sustrato revestido (figura 6b). El ángulo de contacto del un microlitro de agua aumentó de 50 a 110 grados después de amorfo de teflón (figura 6 c y 6 d). Se encontró que el amorfo de teflón había mejorado la naturaleza hidrofóbica. La esfera de forma de la gota se mantuvo en el substrato cubierto, mientras que el líquido separado en una capa delgada sobre el sustrato desnudo.

A continuación, el experimento con atomización de 200 nL de lavanda fue realizada (figura 7). Las imágenes posteriores de atomización sin y con la capa se muestran en la Figura 7a y 7b, respectivamente. Calendario en las fotos se obtuvo del número de fotogramas registrados por una cámara digital. Lavanda se diluyó con etanol (relación de dilución: 50: 1 v/v). En el substrato pelado, el líquido extendido inmediatamente después de fue despachado. En 33 ms, atomización fuerte ocurrió en el centro del líquido, mientras que sólo limitada niebla fue generada en el borde del líquido dentro del círculo como se muestra en la Figura 7a. A 100 ms, dejó de atomización; así, aunque atomización ocurrió al principio, detenido poco después. Después, siguió siendo parte del líquido. Mientras que el solvente se evaporó rápidamente, soluto parcial quedó en la superficie del sustrato; así, el soluto restante había causado la persistencia de graves olor. Por otra parte, se mantuvo la forma de esfera con su ángulo de contacto de más de 90 grados sobre el sustrato revestido después fue despachado (figura 7b). Una niebla concentrada se generó durante la atomización. Después de la atomización, mucho menos líquido en un área más pequeña fue dejada en el área más pequeña en comparación con el sustrato desnudo. Puesto que el líquido restante no era una superficie lisa y completada pero en cambio forma pequeñas gotitas individuales, es difícil calcular con precisión la cobertura de gotas en el revestimiento de teflón. En términos generales, el líquido restante en la superficie hidrofóbica fue a lo más 10% de en la superficie hidrofílica.

Figura 1: Sierra atomizador. (a) configuración del dispositivo de sierra y (b) principio del atomizador Sierra. Su electrodo consiste en oro y cromo. Figura 1a está reimpreso con permiso de²⁰. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Dispositivo de sierra sobre una placa de circuito impreso.

Figura 3: Barnizadora de inmersión utilizado en este estudio.

Figura 4: secuencias de tiempo. (a) forma de onda de la señal de burst de RF. Los valores típicos de V_pp y T_r son 85 V_p-p y 1 s, respectivamente. Un típico deber ciclo como T_H/T_r es 10%. (b) forma de onda aplicada a un depósito de micro. El típico Tw, T y N son de 1 ms, 10 ms y 70 pulsos, respectivamente.

Figura 5: configuración Experimental para líquido gotas de pulverización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: comparación de la forma de gota líquida entre desnudo y cubierto de subtrates. Muestran una (a) vista superior de la película fina en la superficie de Niobato de litio descubierto y (b) vista de la gota de líquido en la cubierta. Un microlitro de etanol fue utilizado en ambos (a) y (b). Aquí, (c) y (d) mostrar vistas laterales de un microlitro de agua en los sustratos desnudos y revestidos, respectivamente. Esta figura fue reproducida con permiso de¹⁷. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: atomización de la gota líquida. Se muestran la superficie (a) hidrofílico (Niobato de litio descubierto) y (b) superficie (sustrato recubierto con teflón amorfo). La muestra es de 200 nL de lavanda. Esta figura fue reproducida con permiso de¹⁷. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: Micro dispensador basado en una válvula de solenoide. Muestran el principio del dispensador de la micro y (b) un circuito controlador de un solo canal. Esta figura es reimpreso con permiso de²⁰. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9: aplicación del atomizador Sierra revestido con película de teflón amorfa. Demostración de la investigación desde el Simposio de Interfaces de usuario inteligentes (IIU) 2018 en Tokio, Japón.

Discusión

Uno de los componentes clave en este estudio es el micro-dispensador de una válvula de solenoide de alta velocidad^18,19. La figura 8a muestra el principio de este dispensador de micro. El émbolo fue impulsado por una bobina electromagnética. La salida está cerrada completamente por el émbolo durante la fase de apagado. El émbolo rápidamente se traslada a sacar líquido en frente durante un corto en fase, entonces retrocede a la posición original y chorros de una pequeña gota líquida de un orificio de la válvula solenoide, que es conducido por el circuito se muestra en la figura 8b. La cantidad de una gota de líquido es unos nanolitros. La frecuencia de la válvula está entre 1 y 1000 Hz, el ancho de pulso mínimo es 0,5 ms y funciona mucho más rápido que una válvula de solenoide típica. La distancia típica entre el orificio de la válvula solenoide y el sustrato fue de 15 mm. Este estudio demostró que la cantidad de líquido es precisa y reproducible; por otra parte, es robusta contra las burbujas.

Persistencia de olor puede ser reducido drásticamente debido a amorfo coatingwhen de teflón se utiliza una pantalla olfativa basada en un atomizador de sierra²¹. Puede mejorarse aún más cuando se utiliza un canal dedicado a entregar solventes para la limpieza de la superficie del sustrato.

El paso crítico en el protocolo es ajustar manualmente la frecuencia de excitación del atomizador cuando se desvía del óptimo. Esto automáticamente realizará en el futuro. Una modificación del Protocolo inicial fue incluir el proceso de silanización desde sí mismo revestimiento sin silanización fue atomizado de teflón.

Hay dos cuestiones pendientes que limitan esta técnica, uno de ellos el problema de la onda. La onda se genera cuando se produce la reflexión en el borde del sustrato. Desde vientres y nodos aparece periódicamente, la atomización se convierte en débil en el nodo. Aunque utilizamos un gel de silicona para suprimir la onda, esto no es suficiente. Un material mejor para absorber la energía acústica es necesario.

La segunda limitación es la durabilidad de la capa de Teflon. El teflón se quita parcialmente después de atomizar un líquido muchas veces. Puesto que la condición actual de la capa no ha sido estudiada ampliamente, los autores pueden optimizar para extender la durabilidad del revestimiento de teflón.

Sin embargo, la importancia del protocolo en relación con los métodos existentes es la reducción del líquido restante después de la atomización en una superficie con la capa con respecto a sin recubrimiento. Así, la persistencia del olor se reduce drásticamente a como es descrito en otra parte¹⁷. Usando este dispositivo de sierra, se realizó demostración de la exhibición olfativa. La pantalla olfativa de ocho componentes para demostrar cassis, naranja, whisky y su mezcla se presentaron a un usuario con cabeza montar pantalla (figura 9)¹⁹. En esta situación, un dispositivo de sierra con el recubrimiento propuesto funciona bien para suprimir la persistencia del olor, que de lo contrario puede deteriorar considerablemente la calidad de la presentación de la fragancia.

La técnica descrita aquí es importante para la exhibición olfativa. Por otra parte, el atomizador de la Sierra es aplicable a un nebulizador para uso médico y electrospray ionización para espectrometría de masas. La eficiencia de la atomización es también necesaria en las aplicaciones.

Materiales

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