Procédé de mise en valeur de Surface Acoustic Wave-atomiseur efficacité d’affichage olfactif

Résumé

Nous établissons ici un procédé de revêtement de la surface d’un dispositif d’ondes acoustiques de surface (SAW) avec film amorphe de téflon pour améliorer l’efficacité de l’atomisation requise pour l’application à un affichage olfactif.

Résumé

Étant donné qu’olfaction est un sens important dans les interfaces humaines, nous avons développé un affichage olfactif à l’aide d’un atomiseur à ondes acoustiques de surface (SAW) et micro-distributeurs. Dans cet affichage olfactif, l’efficacité d’atomisation est importante afin d’éviter les problèmes de persistance d’odeur que l'on rencontrés souvent dans les interfaces olfactifs humains. Ainsi, le dispositif de la scie est recouvert de film amorphe de téflon pour changer la nature du substrat hydrophile à hydrophobe. Il est également nécessaire pour Silyler la surface du substrat piézoélectrique avant le revêtement Teflon pour améliorer l’adhérence du film. Une méthode de revêtement de dip a été adoptée afin d’obtenir une couche uniforme sur le substrat. L’électrovanne à grande vitesse était utilisé comme micro-distributeur au bec une goutte de liquide à la surface du dispositif scie puisque sa précision et reproductibilité sont élevés. Ensuite, l’atomisation est devenu plus facile sur le substrat hydrophobe. Dans cette étude, l’enduit de Teflon amorphe pour réduire au minimum le liquide restant sur le substrat après atomisation a été étudiée. L’objectif du protocole décrit ici est d’illustrer les méthodes de revêtement d’une surface de dispositif de scie avec film téflon amorphe et générant l’odeur à l’aide de l’atomiseur de la scie et d’un micro-distributeur, suivie d’un test sensoriel.

Introduction

Bien que les dispositifs pour stimuler les sens visuels et auditifs sont très populaires, nous ne pouvons pas présenter toutes les sensations que nous le percevons ; Cependant, nous pouvons habituellement présenter une sensation en utilisant uniquement ces deux sens. Un affichage olfactif est un gadget qui peut présenter une odeur, et il est utilisé en réalité virtuelle, afin qu’un utilisateur peut percevoir des parfums^{1,2,3,4,5,6, 7}. Étant donné qu’olfaction contribue grandement aux émotions, un stimulus olfactif est indispensable pour améliorer la réalité. Nous avons étudié précédemment films, animations et jeux avec parfums^8,9.

Plusieurs chercheurs ont étudié des afficheurs olfactifs ; par exemple, Yanagida a étudié un projecteur de parfum qui offre un parfum à une personne déterminée, même quand personne autour de lui qu’il perçoit¹. Yamada et al ont étudié une odeur source de localisation dans l’espace virtuel à l’aide d’un modèle simple de distribution gaussienne de l’odeur de concentration². Kim et coll. ont proposé le concept de tableaux à deux dimensions de libérant odeur dispositifs ³. En outre, simple portable affiche olfactive et les ultrasons multiéléments pour contrôler la direction de ces parfums ont été proposé^4,5,6.

Un des problèmes dans l’affichage olfactif est la persistance d’odeur. Un utilisateur peut détecter l’odeur même après qu’il est destiné à être remplacé par l’air ou un autre parfum. Car il est préférable de passer de parfums aussi rapidement que possible dans la réalité virtuelle, le problème de persistance d’odeur devrait être étudié.

Nous avons étudié l’affichage olfactif avec une fonction de mélange beaucoup d’ingrédients. Précédemment, nous avons développé ce système à l’aide des électrovannes avec commutation haute vitesse¹⁰. Bien qu’il mélange stable de beaucoup d’ingrédients, nous ne pourrions pas encore résoudre le problème de la persistance d’odeur. Ainsi, nous avons depuis développé l’affichage olfactif à l’aide de micro-distributeurs et un atomiseur de scie¹¹. Bien que des techniques similaires ont été utilisées pour manipuler des gouttelettes de liquide^12,13,14, nous avons appliqué pour parfumer la génération. L’appareil de scie convient pour pulvérisation de gouttelettes liquides puisqu’il peut atomiser les gouttelettes liquides instantanément^15,16; Cependant, nous avons trouvé que les minuscules gouttelettes liquides restent sur un substrat piézoélectrique après l’atomisation. Ces minuscules gouttelettes liquides causent persistance d’odeur, même si la majeure partie du liquide est atomisée.

En général, un parfum est dissous dans un solvant tel que l’éthanol pour réduire la viscosité. Cependant, parfum dilué se propage sur la surface d’un substrat piézoélectrique en raison de sa nature hydrophile et l’efficacité d’atomisation se détériore quand minces se répand. Ainsi, une partie du liquide demeure même après atomisation, qui ne peut pas être retiré même si les augmentations de puissance RF. Étant donné que le solvant s’évapore peu de temps après, seulement le parfum reste allumée et adhère au substrat.

Dans cette étude, nous recouvrir la surface d’un substrat piézoélectrique avec couche de téflon mince amorphe donc il devienne hydrophobe dans la nature. Étant donné que nous pouvons garder la sphère comme gouttelettes sur la surface hydrophobe, l’énergie nécessaire pour détacher le liquide de la surface du substrat diminue. Il est prévu qu’une efficacité d’atomisation est améliorée lorsque la surface du dispositif scie devient hydrophobe. L’objectif général de cette méthode est d’améliorer l’efficacité de l’atomisation afin qu’un parfum est présenté immédiatement et peut disparaître rapidement après sa présentation, en fin de compte pour l’application sur l’olfactif afficher. Dans cet article, nous montrons comment un dispositif scie est recouvert de film téflon amorphe et démontrer l’amélioration de l’efficacité de l’atomisation et ses résultats expérimentaux ont été décrites dans la référence¹⁷.

Protocole

Les méthodes décrites ici ont été approuvés par l’humain recherche éthique Comité de Tokyo Institute of Technology.

1. vu la préparation de l’appareil et vérifier l’impédance

1. Préparer un dispositif de scie de 10 MHz sur un substrat de₃ LiNbO [128^o-rotation Y coupe, X propagation, avec 21 paires de doigt de l’IDT (transducteur inter digitated)], ainsi que les réflecteurs en 32 paires de doigt sur un côté de l’IDT, comme illustré dans la Figure 1 a.
   Remarque : La Figure 1 b montre le principe d’atomisation. La scie est convertie en une onde longitudinale à la goutte de liquide. Brume est produite en raison de la diffusion acoustique si l’énergie de la scie est suffisamment grand.
   Remarque : Le dispositif de la scie a été fabriqué par le constructeur à l’aide de la lithographie de photo typique selon le modèle de l’électrode qui a conçu les auteurs. Le substrat piézoélectrique mentionné ci-dessus a été sélectionné en raison d’un coefficient de couplage électromécanique haute.
2. Monter le dispositif de scie à l’aide de papier d’aluminium et pâte conductrice sur un circuit imprimé en aluminium (conçu pour cet appareil de scie) où le connecteur SMA est attaché (Figure 2).
   Remarque : Une platine en aluminium est efficace pour la dissipation de chaleur.
3. Mesurer la fréquence caractéristique d’impédance à l’aide d’un analyseur de réseau. Le dispositif de scie est branché à l’analyseur via une connexion de câble coaxial de circuit imprimé. Caractéristiques de fréquence devraient montrer les fréquences où les parties imaginaires de l’admittance de dispositif aller à zéro, qui sont les fréquences de résonance de dispositif de scie.
   Note : Lorsque des pertes acoustiques dans le dispositif est grande, atomisation ne survient pas. La perte acoustique peut être vérifiée en mesurant la caractéristique de fréquence d’impédance. Quand le dispositif de la scie est recouvert de film de téflon, la différence entre les caractéristiques de fréquence avant et après que le revêtement doit être surveillé pour vérifier si le film est trop épais.

2. silanisation

1. Préparer l’agent de couplage silane axée sur les aminés (3-ahhminopropyltriethoxy-silane). Ajuster sa concentration à 0,5 % (v/v) dans de l’eau à l’aide d’une pipette.
   Note : La silanisation est obligatoire afin d’améliorer l’adhérence du revêtement en téflon amorphe. Revêtement en téflon est retiré pendant l’atomisation si silanisation n’est pas effectuée.
2. Nettoyer la surface de l’appareil de scie à l’aide d’un coton-tige imbibé d’acétone.
3. Régler le dispositif à une coucheuse dip (Figure 3).
   Remarque : Une platine lorsque le dispositif de scie est fixé à l’aide de raccommodage ruban est attaché à la coucheuse dip, puisque l’épaisseur de l’appareil de la scie (0,5 mm) est trop mince pour être attaché directement à la coucheuse dip.
4. Tirez vers le bas de l’appareil pour que la zone de pulvérisation peut être immergée dans la solution à une vitesse de 0,2 mm/s. garder l’appareil dans la solution pendant 5 min.
5. Tirez vers le haut de l’appareil à une vitesse de 1,7 mm/s. garder l’appareil en l’air pendant 5 min.
6. Rincer l’appareil dans l’eau pure pendant 1 min.
7. Garder l’appareil en l’air pendant 30 min.

3. revêtement en téflon amorphe

1. Préparer le matériel amorphe de téflon et le solvant de dilution. Ajuster la concentration de la solution de téflon amorphe à 3 % (v/v) à l’aide du solvant.
2. Régler le dispositif à une coucheuse dip (Figure 3).
   Remarque : Revêtement de Dip a été retenue ici car l’enduit uniforme est indispensable. Revêtement rugueux comme revêtement qui est trop épais peut provoquer la détérioration de l’efficacité de l’atomisation en raison de l’atténuation de la scie.
3. Tirez vers le bas de l’appareil pour que la zone d’atomisation est immergée dans la solution à une vitesse de 0,2 mm/s. garder l’appareil dans la solution pendant 15 s.
4. Tirez vers le haut de l’appareil à la vitesse de 1,7 mm/s. garder l’appareil en l’air pendant 5 min.
5. Tirez vers le bas de l’appareil pour que la zone d’atomisation est immergée dans la solution à une vitesse de 0,2 mm/s. garder l’appareil dans la solution pendant 15 s.
6. Tirez vers le haut de l’appareil à la vitesse de 1,7 mm/s. garder l’appareil en l’air pendant 30 min.
7. Faire cuire l’appareil à 180 ° C pendant 60 min à l’aide d’une plaque chauffante.
   Remarque : Épaisseur de l’enduit était environ 400 nm selon la mesure (QCM) microbalance à cristal de quartz.

4. expérimentale mise en place pour l’atomisation

1. Monter le dispositif de la scie sur un circuit imprimé.
   Remarque : Étant donné que l’épaisseur de l’appareil de la scie est de 0,5 mm, il peut être facilement cassé. Ainsi, il est nécessaire de soutenir mécaniquement.
2. Mesurer la fréquence caractéristique de l’impédance de dispositif de scie à l’aide d’un analyseur de réseau. Le dispositif de la scie est relié à l’analyseur via une connexion de câble coaxial de circuit imprimé. Caractéristiques de fréquence devraient montrer les fréquences où les parties imaginaires de l’admittance de dispositif aller à zéro, qui sont les fréquences de résonance du dispositif scie
   Remarque : Vérifier l’atténuation de RF à l’appareil de la scie. La perte de l’appareil de scie augmente lorsqu’il est enduit de façon inappropriée. Cette augmentation de perte se produit généralement en raison d’inhomogénéité de revêtement ou épaisseur excessive du revêtement ; ainsi, les caractéristiques d’impédance avant et après le revêtement doivent être comparées. L’atomisation ne peut être effectuée si l’atténuation de la scie est trop lourd.
3. Connectez le périphérique de la scie à un générateur de fonctions grâce à un amplificateur de puissance RF.
4. Définir la forme d’onde du signal RF éclat à un générateur de fonctions (Figure 4 a). Le signal de rafale pour le périphérique de scie doit être une onde sinusoïdale, et son cycle d’utilisation devrait être de 10 %. La fréquence de l’onde doit aussi être sur la fréquence de résonance de dispositif scie obtenue à partir des mesures d’impédance caractéristique.
5. Connecter un générateur d’ondes carrées de rafale à une électrovanne [i.e., micro-distributeur grâce à un circuit de conduite (Figure 5)] ainsi qu’un signal d’impulsion 24 V peut être fourni dans le distributeur, qui est également mentionné dans la discussion^{18, 19}.
   Astuce : Pour conduire des électrovannes, un tableau de transistor est pratique. Jusqu'à huit solénoïde vannes peuvent être branchés en utilisant le tableau de transistor dans cette étude.
6. Définissez la micro pompe de pression s’écouler le liquide dans le micro-distributeur (Figure 5). La micro pompe prend en charge la fonctionnalité auto-amorçante des micro-distributeur²⁰.
7. Utilisez un thermomètre infrarouge pour mesurer la température de l’appareil de la scie, si nécessaire.
   Remarque : La température à l’appareil de scie de surface généralement atteint environ 45 ° C lorsqu’a éclaté la RF signal (Vp-85P et cycle d’utilisation de 10 %) est appliquée pendant 5 min.

5. atomisation

1. Mettre le liquide (i.e., parfum ou produit chimique dilué avec de l’éthanol) dans un flacon.
2. Définir la forme d’onde du signal impulsion appliqué à un distributeur de micro (Figure 4 b). Le signal d’impulsion est une séquence d’impulsions onde carrée avec un cycle de 10 % et est généré avec un générateur de fonctions.
3. Appliquer le signal d’impulsion dans le micro-distributeur à jet une goutte de liquide à la scie dispositif¹⁸. Puisqu’une seule goutte du micro-distributeur est seulement quelques microseringues, une séquence d’impulsions est nécessaire pour former une goutte plus grande pour l’atomisation.
4. Appliquer le signal RF de salve à l’appareil de la scie pour atomiser les gouttelettes liquides¹⁷. Le signal de la rafale est appliqué par un générateur de fonction via un amplificateur après formation des gouttelettes liquides. Le signal doit être appliqué pour aussi longtemps que la vapeur est toujours généré à partir du processus d’atomisation.
   Remarque : Le signal de salve de RF est utilisé pour ajuster la puissance de RF. Le dispositif de la scie peut avoir une fissure si la puissance RF est beaucoup plus grande que 2 w.
5. Observer la surface du dispositif de la scie pour inspecter les gouttelettes liquides restants.
6. Effectuez la même procédure que fait en étapes 4.1 à 4.7 et 5,1 à 5,5 pour un nu a vu l’appareil. Ensuite, comparer la quantité de gouttelettes liquides restants sur le substrat revêtu avec celle d’un nu.

6. détection des senteurs

1. Mettre le liquide dans un flacon, comme fait à l’étape 5.1.
2. Régler la hauteur de l’atomiseur de scie à l’aide d’un cric pour que sa hauteur reste égale au nez du participant.
3. Verser le liquide sur l’appareil de la scie.
4. Allumez le ventilateur.
5. Permettre au participant de détecter l’odeur.
   Remarque : Les auteurs ont fait le test sensoriel au lieu de l’analyseur COV utilisé dans les travaux antérieurs depuis l’intensité perçue plutôt que la concentration de vapeur doit être évaluée.

Résultats

Un microlitre d’éthanol a été placé sur les nus et enduits LiNbO₃ substrats (éthanol était généralement utilisé comme solvant pour le parfum). Une fine pellicule de solution d’éthanol a été formée après que elle se propager sur le substrat (Figure 6 a) ; en revanche, la forme de sphère a été gardée sur le substrat revêtu (Figure 6 b). L’angle de contact de l’un microlitre d’eau est passée de 50 à 110 degrés après amorphe revêtement téflon (Figure 6C et 6D). Il a été constaté que le revêtement en téflon amorphe renforcé le caractère hydrophobe. La sphère-comme la forme de la goutte a été gardée sur le substrat revêtu, tandis que le liquide se propager dans une couche mince sur le substrat nu.

Ensuite, l’expérience avec atomisation du 200 nL de lavande a été réalisée (Figure 7). Les images ultérieures d’atomisation sans et avec revêtement sont indiquées dans la Figure 7 a et 7 bet respectivement. Échelle de temps des photos a été obtenu le nombre d’images enregistrées par une caméra numérique. Lavande a été dilué avec de l’éthanol (taux de dilution : 50 : 1 v/v). Sur le substrat nu, le liquide se propager immédiatement après qu’il a été dispensé. À 33 ms, atomisation forte s’est produite au centre du liquide, alors que seulement limitée brume a été produite au liquid bord intérieur du cercle comme sur la Figure 7 a. À 100 ms, atomisation arrêtée ; donc, bien que l’atomisation s’est produite dans un premier temps, il est arrêté peu après. Ensuite, la partie du liquide est resté. Alors que le solvant s’évapore rapidement, soluté partielle est resté sur la surface du substrat ; ainsi, le soluté reste provoqué la persistance d’odeur grave. En revanche, la forme de sphère avec son angle de contact de plus de 90 degrés a été maintenue sur le substrat revêtu après il a été distribué (Figure 7 b). Un brouillard concentré a été généré au cours de l’atomisation. Après atomisation, beaucoup moins de liquide dans une zone plus petite a été laissé dans la zone plus petite par rapport au substrat nu. Étant donné que le liquide restant n’était pas une surface lisse et complete mais plutôt formée de petites gouttelettes unique, il est difficile de calculer avec précision la couverture des gouttelettes sur le revêtement en téflon. Grosso modo, le liquide restant sur la surface hydrophobe était au plus 10 % de celle sur la surface hydrophile.

Figure 1 : scie atomiseur. b configuration du périphérique de la scie et (b) le principe de l’atomiseur de la scie. Son électrode est composé d’or et de chrome. Figure 1 a est reproduit avec la permission de²⁰. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Vu l’appareil sur un circuit imprimé.

Figure 3 : Tremper coater utilisée dans cette étude.

Figure 4 : séquences de temps. (a) la forme d’onde du signal RF rafale. Les valeurs typiques de V_pp et T_r sont 85 V_p-p et 1 s, respectivement. Un facteur typique de marche comme TH/t_r est de 10 %. (b) forme d’onde appliquée à un distributeur de micro. Le Tw, T et N typiques sont : 1 ms, 10 ms et 70 impulsions, respectivement.

Figure 5 : montage expérimental pour la pulvérisation de gouttelettes liquides. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Comparaison de la forme de gouttelettes liquides entre tous nus et enduits. (A) une vue de dessus de la couche mince sur la surface de niobate de lithium nus et (b) vue de côté de la goutte de liquide sur l’enduit est indiqué. Un microlitre d’éthanol a été utilisé dans les deux (a) et (b). Ici, (c) et (d) montrent des vues de côté d’un microlitre d’eau sur les substrats nus et revêtus, respectivement. Ce chiffre a été reproduit avec la permission de¹⁷. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : atomisation de la goutte liquide. Sont la surface b hydrophile (niobate de lithium nu) et (b) hydrophobe surface (substrat recouvert de Teflon amorphe). L’échantillon est 200 nL de lavande. Ce chiffre a été reproduit avec la permission de¹⁷. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 8 : Micro-distributeur basé sur une électrovanne. Principe de la micro-distributeur et (b) un circuit de pilote pour un seul canal est indiqué. Ce chiffre est reproduit avec la permission de²⁰. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 9 : Application de l’atomiseur de scie recouvert de film amorphe de Teflon. Démonstration de recherche Intelligent User Interfaces (IUI) Symposium 2018 à Tokyo, au Japon.

Discussion

L’un des éléments clés dans cette étude est le micro-distributeur d’un solénoïde à grande vitesse soupape^18,19. Figure 8 a montre le principe de ce micro-distributeur. Le piston est pilotée par une bobine électromagnétique. Sa sortie est complètement fermé par le piston durant la phase d’arrêt. Le plongeur rapidement se déplace pour dessiner liquide devant pendant une courte phase, puis il revient à l’emplacement d’origine et jets pour une minuscule goutte de liquide d’un orifice de la vanne électromagnétique, qui est entraîné par le circuit illustré à la Figure 8 b. Le montant d’une goutte de liquide est quelques microseringues. La fréquence de la valve est comprise entre 1 et 1000 Hz, sa largeur d’impulsion minimale est de 0,5 ms, et il fonctionne beaucoup plus rapidement qu’une électrovanne typique. Le type de la distance entre l’orifice de l’électrovanne et le substrat a été de 15 mm. Cette étude a montré que la quantité de liquide est précise et reproductible ; en outre, il est robuste contre les bulles.

Persistance d’odeur peut être considérablement réduite en raison de l’amorphe Teflon coatingwhen un affichage olfactif basé sur un atomiseur de scie est utilisé²¹. Il peut encore être améliorée lorsqu’un canal dédié à livrer des solvants à la surface du substrat pour le nettoyage est utilisé.

L’étape critique de protocole est d’ajuster manuellement la fréquence d’excitation de l’atomiseur lorsqu’il s’écarte de celle optimale. Cela devrait être effectuée automatiquement à l’avenir. Une modification du protocole initial devait comprendre le processus de silanisation depuis téflon, revêtement lui-même sans silanisation a été atomisée.

Il y a deux questions en suspens qui limitent cette technique, un étant le problème des ondes stationnaires. L’onde stationnaire est généré en cas de réflexion à l’orée du substrat. Puisque antinode et nœud apparaît périodiquement, atomisation devient faible au niveau du nœud. Même si nous utilisons un gel de silicone pour supprimer les ondes stationnaires, ce n’est pas suffisant. Un matériau mieux pour absorber l’énergie acoustique est nécessaire.

La deuxième limitation est la durabilité du revêtement téflon. Le revêtement en téflon est partiellement enlevé après pulvérisation d’un liquide plusieurs fois. Étant donné que la condition actuelle de revêtement n’a pas été largement étudiée, les auteurs peuvent optimiser pour prolonger la durabilité du revêtement en téflon.

Néanmoins, l’importance du protocole en ce qui concerne les méthodes existantes est la réduction du liquide restant après la pulvérisation sur une surface avec revêtement par rapport à l’État dévêtu. Ainsi, la persistance d’odeur est drastiquement réduite comme c’est décrit ailleurs¹⁷. À l’aide de cet appareil de scie, démonstration de l’affichage olfactif a été effectuée. L’affichage olfactif de huit composants pour démontrer les cassis, orange, whisky et leur mélange ont été présentées à un utilisateur avec tête monter afficher (Figure 9)¹⁹. Dans ce cas, un dispositif de scie avec le revêtement proposé fonctionne bien pour réprimer la persistance d’odeur, qui, autrement, peut détériorer considérablement la qualité de présentation de parfum.

La technique décrite ici est importante pour l’affichage olfactif. En outre, l’atomiseur de la scie s’applique à un nébuliseur à usage médical et l’ionisation par électronébulisation pour la spectrométrie de masse. L’efficacité de l’atomisation est aussi requise dans ces applications.

matériels

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