Metodo di aumento dell'efficienza di superficie dell'onda acustica-atomizzatore per Display olfattivo

Riepilogo

Stabiliamo qui un metodo per ricoprire la superficie di un dispositivo di onda acustica di superficie (SAW) con amorfo pellicola di Teflon per migliorare l'efficienza di atomizzazione necessario per l'applicazione a un display olfattivo.

Abstract

Poiché l'olfatto è un senso importante in interfacce umane, abbiamo sviluppato un display olfattivo utilizzando un atomizzatore di onda acustica di superficie (SAW) e micro-dispenser. In questa visualizzazione olfattiva, l'efficienza di atomizzazione è importante al fine di evitare problemi di persistenza di odore spesso rilevati nelle interfacce olfattive umane. Così, il dispositivo di sega è rivestito con amorfo pellicola di Teflon per modificare la natura del substrato da idrofilo ad idrofobo. È anche necessario silanizzare la superficie del substrato piezoelettrico prima del rivestimento di Teflon per migliorare l'adesione del film. Un metodo di rivestimento di tuffo è stato adottato per ottenere un rivestimento uniforme sul substrato. La valvola a solenoide ad alta velocità è stata utilizzata come micro-dispenser a becco una goccia di liquido sulla superficie del dispositivo di sega, poiché la sua precisione e la riproducibilità erano alti. Quindi, l'atomizzazione è diventato più facile sul substrato idrofobo. In questo studio, il rivestimento in Teflon amorfo per minimizzare il liquido restante sul substrato dopo atomizzazione è stato studiato. L'obiettivo del protocollo descritto qui è quello di mostrare i metodi per ricoprire una superficie di dispositivo sega con amorfo pellicola di Teflon e generando l'odore utilizzando l'atomizzatore di sega e un micro-dispenser, seguita da una prova sensoriale.

Introduzione

Anche se i dispositivi per stimolare sensi visivi ed uditivi sono popolari, non possiamo presentare tutte le sensazioni che percepiamo; però, possiamo presentare ordinariamente una sensazione utilizzando solo questi due sensi. Un display olfattivo è un gadget che può presentare un profumo, e viene utilizzato in realtà virtuale in modo che un utente può percepire profumi^{1,2,3,4,5,6, 7}. Poiché l'olfatto contribuisce notevolmente alle emozioni, uno stimolo olfattivo è indispensabile per migliorare la realtà. In precedenza abbiamo studiato film, animazioni e giochi con profumi^8,9.

Diversi ricercatori hanno studiato olfattivo display; ad esempio, Yanagida ha studiato un proiettore di profumo che recapita un profumo a una determinata persona, anche quando nessuno intorno a lui o lei percepisce¹. Yamada et al hanno studiato una localizzazione della fonte di odore nello spazio virtuale utilizzando un modello di semplice distribuzione gaussiana della concentrazione di odore². Kim et al hanno proposto il concetto di matrici bidimensionali di odore-rilasciando dispositivi ³. Inoltre, semplici visualizzatori olfattivi indossabili e ultrasuoni phased array per controllare la direzione di questi profumi sono stati proposti^4,5,6.

Uno dei problemi nella visualizzazione olfattiva è la persistenza di odore. Un utente può rilevare l'odore anche dopo che esso è destinato a essere cambiato in aria o un altro profumo. Poiché è preferibile passare tra profumi più velocemente possibile nella realtà virtuale, il problema di persistenza odore dovrebbe essere studiato.

Abbiamo studiato il display olfattivo con una funzione di miscelazione molti ingredienti. In precedenza abbiamo sviluppato questo sistema utilizzando elettrovalvole con commutazione ad alta velocità¹⁰. Anche se si fonde stabilmente molti ingredienti, non potremmo ancora risolvere il problema della persistenza di odore. Così, da allora abbiamo sviluppato display olfattivo, utilizzando micro-dispenser e una sega atomizzatore¹¹. Anche se tecniche simili sono state usate per manipolare le goccioline di liquido^12,13,14, abbiamo applicato per profumare la generazione. Il dispositivo di sega è adatto per le goccioline di liquide di atomizzazione, poiché è possibile atomizzare le goccioline di liquide istantaneamente^15,16; Tuttavia, abbiamo trovato che minuscole goccioline di liquide soggiorno su un substrato piezoelettrico dopo l'atomizzazione. Queste minuscole goccioline di liquide causano la persistenza di odore, anche se la maggior parte del liquido è suddivisa.

In genere, un profumo è disciolto in un solvente come l'etanolo per ridurre la viscosità. Tuttavia, diluito profumo si diffonde sulla superficie di un substrato piezoelettrico dovuto la relativa natura idrofila e l'efficienza di atomizzazione si deteriora quando si diffonde a film sottile. Così, una parte del liquidi rimane anche dopo la nebulizzazione, che non può essere rimosso anche se aumenta la potenza RF. Poiché il solvente evapora subito dopo, solo il profumo rimane su e si attacca al substrato.

In questo studio, abbiamo rivestire la superficie di un substrato piezoelettrico con film di Teflon sottile amorfo così diventa idrofobo in natura. Dato che possiamo mantenere la sfera goccia-come sulla superficie idrofoba, diminuisce l'energia necessaria per staccare il liquido dalla superficie del substrato. Si prevede che un'efficienza di atomizzazione è migliorata quando la superficie del dispositivo di sega diventa idrofobica. L'obiettivo generale di questo metodo è quello di migliorare l'efficienza di atomizzazione, in modo che un profumo è presentato immediatamente e possa scomparire rapidamente dopo la sua presentazione, in ultima analisi, per applicazione a olfattivo Visualizza. In questa carta, ci mostra come un dispositivo di sega è rivestito con film di Teflon amorfo e dimostrare il miglioramento dell'efficienza di atomizzazione e suoi risultati sperimentali sono stati descritti nel riferimento¹⁷.

Protocollo

I metodi descritti qui sono stati approvati dall'umana ricerca etica Comitato di Tokyo Institute of Technology.

1. visto preparazione del dispositivo e il controllo di impedenza

1. Preparare un dispositivo di sega 10 MHz su un substrato di₃ LiNbO [128^o-ruotato taglio a-Y, X di propagazione, con 21 coppie di dito di una IDT (Inter-digitated trasduttore)], insieme con riflettori realizzati di 32 coppie di dito su un lato IDT, come mostrato in Figura 1a.
   Nota: Figura 1b Mostra il principio di atomizzazione. La sega viene convertita in un'onda longitudinale a goccia di liquido. Nebbia viene generato a causa di flusso acustico se l'energia di sega è sufficientemente grande.
   Nota: Il dispositivo di sega è stato fabbricato dal produttore uso Litografia tipico foto secondo il modello di elettrodo che gli autori hanno progettato. Il substrato piezoelettrico accennato in precedenza è stato selezionato a causa di un coefficiente di accoppiamento elettromeccanico alta.
2. Montare il dispositivo di sega utilizzando il foglio di alluminio e pasta conduttiva su un circuito stampato di alluminio (progettata per questo dispositivo SAW) cui è collegato il connettore SMA (Figura 2).
   Nota: La scheda A circuiti stampati in alluminio è efficace per radiazione di calore.
3. Misurare la frequenza caratteristica di impedenza utilizzando un analizzatore di rete. La sega è collegato all'analizzatore tramite una connessione via cavo coassiale da circuito stampato. Caratteristiche di frequenza dovrebbero mostrare frequenze dove parti immaginarie dell'ammettenza dispositivo andare a zero, che sono le frequenze di risonanza del dispositivo di sega.
   Nota: Quando la perdita acustica nel dispositivo è grande, atomizzazione non si verifica. La perdita acustica può essere controllata misurando la frequenza caratteristica di impedenza. Quando il dispositivo di sega è rivestito con pellicola di Teflon, la differenza tra le caratteristiche di frequenza prima e dopo il rivestimento deve essere monitorato per verificare se il film è troppo spesso.

2. silanizzazione

1. Preparare l'ammino-based silanico (3-ahhminopropyltriethoxy Silano). Regolare la sua concentrazione allo 0,5% (v/v) in acqua con una pipetta.
   Nota: Silanizzazione è obbligatorio per migliorare l'adesione del rivestimento in Teflon amorfo. Rivestimento in teflon viene rimosso durante l'atomizzazione se silanizzazione non viene eseguita.
2. Pulire la superficie del dispositivo sega utilizzando un batuffolo di cotone imbevuto di acetone.
3. Impostare il dispositivo in una macchina a tuffo (Figura 3).
   Nota: Un circuito stampato dove il dispositivo di sega è fissato con nastro di riparazione è collegato alla spalmatrice di tuffo, poiché lo spessore del dispositivo SAW (0,5 mm) è troppo sottile per essere collegato direttamente alla spalmatrice di tuffo.
4. Tirare giù il dispositivo in modo che la zona di atomizzazione può essere immerso nella soluzione ad una velocità di 0,2 mm/s. mantenere il dispositivo nella soluzione per 5 min.
5. Tirare verso l'alto il dispositivo ad una velocità di 1,7 mm/s. tenere il dispositivo in aria per 5 min.
6. Sciacquare il dispositivo in acqua pura per 1 min.
7. Tenere il dispositivo in aria per 30 min.

3. rivestimento in Teflon amorfo

1. Preparare il materiale amorfo di Teflon e solvente per la diluizione. Regolare la concentrazione della soluzione Teflon amorfa al 3% (v/v) usando il solvente.
2. Impostare il dispositivo in una macchina a tuffo (Figura 3).
   Nota: Il rivestimento per immersione è stata adottata qui poiché il rivestimento uniforme è indispensabile. Rivestimento grezzo così come il rivestimento che è troppo spesso possa causare un deterioramento dell'efficienza atomizzazione dovuto attenuazione di sega.
3. Tirare verso il basso il dispositivo in modo che la zona di atomizzazione è immerso nella soluzione ad una velocità di 0,2 mm/s. mantenere il dispositivo nella soluzione per 15 s.
4. Tirare verso l'alto il dispositivo alla velocità di 1,7 mm/s. tenere il dispositivo in aria per 5 min.
5. Tirare verso il basso il dispositivo in modo che la zona di atomizzazione è immerso nella soluzione ad una velocità di 0,2 mm/s. mantenere il dispositivo nella soluzione per 15 s.
6. Tirare verso l'alto il dispositivo alla velocità di 1,7 mm/s. tenere il dispositivo in aria per 30 min.
7. Cuocere il dispositivo a 180 ° C per 60 min utilizzando una piastra calda.
   Nota: Lo spessore del rivestimento era circa 400 nm secondo la misura di cristallo di quarzo (QCM) microbilancia.

4. sperimentale per atomizzazione

1. Montare il dispositivo di sega su un circuito stampato.
   Nota: Poiché lo spessore del dispositivo sega è di 0,5 mm, può essere facilmente rotto. Pertanto, è necessario sostenere meccanicamente.
2. Misurare la frequenza caratteristica dell'impedenza dispositivo sega utilizzando un analizzatore di rete. La sega è collegato all'analizzatore tramite una connessione via cavo coassiale del bordo del circuito stampato. Caratteristiche di frequenza dovrebbero mostrare frequenze dove parti immaginarie dell'ammettenza dispositivo andare a zero, che sono le frequenze di risonanza del dispositivo di sega
   Nota: Controllare l'attenuazione RF sul dispositivo di sega. La perdita del dispositivo sega aumenta quando è rivestito in modo inappropriato. Questo aumento della perdita si verifica in genere a causa di disomogeneità di rivestimento o eccessivo spessore del rivestimento; così, le caratteristiche di impedenza prima e dopo il rivestimento devono essere confrontate. La nebulizzazione non può essere eseguita se l'attenuazione di sega è troppo.
3. Collegare il dispositivo di sega ad un generatore di funzione attraverso un amplificatore di potenza RF.
4. Impostare la forma d'onda del segnale RF scoppio a un generatore di funzioni (Figura 4a). Il segnale di scoppio per il dispositivo della sega deve essere un'onda sinusoidale, e il ciclo di dovere dovrebbe essere 10%. Frequenza dell'onda deve essere impostata la frequenza di risonanza del dispositivo sega ottenuta dalle misure caratteristiche di impedenza.
5. Collegare un generatore di onda quadra di scoppio un'elettrovalvola [cioè., micro-dispenser attraverso un circuito di azionamento (Figura 5)] affinché un segnale di impulso 24 V può essere fornito al distributore, che è menzionato anche nella discussione^{18, 19}.
   Suggerimento: Per guida valvole a solenoide, un array di transistor è conveniente. Fino a otto elettrovalvole valvole possono essere guidati utilizzando la matrice di transistor in questo studio.
6. Impostare la micro-pompa per applicare una pressione per fluire il liquido per il micro-dosatore (Figura 5). La micro-pompa supporta la funzionalità di Self-priming del micro-erogatore²⁰.
7. Utilizzare un termometro a infrarossi per misurare la temperatura del dispositivo ha visto, se necessario.
   Nota: La temperatura del dispositivo di sega in genere superficie raggiunge circa 45 ° C quando la RF burst segnale (Vp-85 p e 10% duty cycle) viene applicato per 5 min.

5. atomizzazione

1. Mettere il liquido (cioè., fragranza o prodotto chimico diluito con etanolo) in un flaconcino.
2. Impostare la forma d'onda del segnale di impulso applicato a un micro-dispenser (fig. 4b). Il segnale di impulso è una sequenza di impulsi di onda quadra con un 10% duty cycle e viene generato con un generatore di funzioni.
3. Applicare il segnale di impulso per il micro-dispenser per jet una goccia di liquido per la sega dispositivo¹⁸. Poiché una singola goccia dal micro-dispenser è solo pochi nanolitri, una sequenza di impulsi è necessario per formare una goccia più grande per atomizzazione.
4. Applicare il segnale di burst di RF per il dispositivo di sega per atomizzare le goccioline di liquido¹⁷. Il segnale di scoppio viene applicato da un generatore di funzioni attraverso un amplificatore dopo la formazione di goccioline di liquide. Il segnale deve essere applicato per finchè vapor viene comunque generato dal processo di atomizzazione.
   Nota: Il segnale di burst di RF viene utilizzato per regolare la potenza media di RF. Il dispositivo di sega può avere una crepa se il potere di RF è molto più grande di 2 w.
5. Osservare la superficie del dispositivo di sega per ispezionare la goccia di liquido rimanente.
6. Eseguire la stessa procedura come fatto nei passaggi 4.1-4.7 e 5.1-5.5 per un nudo visto dispositivo. Quindi, confrontare la quantità di goccia di liquido rimanente sul substrato rivestito con quello da uno spoglio.

6. rilevazione profumi

1. Mettere il liquido in un flacone come fatto nel passaggio 5.1.
2. Regolare l'altezza dell'atomizzatore sega utilizzando un jack in modo che l'altezza rimane uguale al naso del partecipante.
3. Erogare il liquido nel dispositivo di sega.
4. Accendere il ventilatore.
5. Consentire al partecipante di rilevare il profumo.
   Nota: Gli autori hanno fatto il test sensoriale invece di analizzatore di COV usato nel lavoro precedente dall'intensità percepita piuttosto che la concentrazione di vapore deve essere valutati.

Risultati

Un microlitro di etanolo è stato disposto su entrambi nudi e rivestiti LiNbO₃ substrati (etanolo veniva tipicamente usato come un solvente per il profumo). Una sottile pellicola di soluzione di etanolo è stata formata dopo che si è sparso sul substrato (Figura 6a); d'altra parte, la forma a sfera è stata mantenuta il substrato rivestito (Figura 6b). L'angolo di contatto dell'un microlitro di acqua è aumentato da 50 a 110 gradi dopo amorfo rivestimento di Teflon (Figura 6C e 6D). È stato trovato che il rivestimento in Teflon amorfo ha migliorato la natura idrofobica. La forma a sfera della goccia è stata mantenuta il substrato rivestito, considerando che il liquido sparso in una sottile pellicola sul substrato nudo.

Poi, l'esperimento con atomizzazione di 200 nL di lavanda è stata eseguita (Figura 7). Le immagini successive di atomizzazione senza e con rivestimento sono mostrate in Figura 7a e 7b, rispettivamente. Scala cronologica nelle foto è stata ottenuta dal numero di fotogrammi registrati da una fotocamera digitale. Lavanda è stato diluito con etanolo (rapporto di diluizione: 50: 1 v/v). Sul substrato nudo, il liquido si è diffusa immediatamente dopo che è stato erogato. In 33 ms, atomizzazione forte si è verificato presso il centro di liquido, mentre solo limitato nebbia è stato generato al bordo di liquido all'interno del cerchio come mostrato nella Figura 7a. A 100 ms, atomizzazione fermato; così, anche se atomizzazione si è verificato in un primo momento, si è fermato poco dopo. Quindi, parte del liquido è rimasto. Mentre il solvente evapora rapidamente, parziale soluto è rimasto sulla superficie del substrato; così, il restante soluto causato la persistenza di gravi odore. D'altra parte, la forma a sfera con l'angolo di contatto di più di 90 gradi è stata effettuata su substrato rivestito dopo esso è stato dispensato (Figura 7b). Una nebbia concentrata è stata generata durante l'atomizzazione. Dopo atomizzazione, molto meno liquido in un'area più piccola è stato lasciato nella zona più piccola rispetto al substrato nudo. Poiché il liquido residuo non era una superficie liscia e completa ma invece formata piccole goccioline single, è difficile calcolare con precisione la copertura delle goccioline su rivestimento in Teflon. In parole povere, il liquido residuo sulla superficie idrofobica era al massimo 10% di quello sulla superficie idrofila.

Figura 1: sega atomizzatore. (a) configurazione del dispositivo di sega e (b) principio dell'atomizzatore sega. L'elettrodo è costituito da oro e cromo. Figura 1a è ristampato con permesso²⁰. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Dispositivo di sega su un circuito stampato.

Figura 3: Dip coater utilizzato in questo studio.

Figura 4: tempo sequenze. (a) forma d'onda del segnale RF burst. I valori tipici di V_pp e T_r sono 85 V_p-p e 1 s, rispettivamente. Un fattore tipico di servizio come TH/t_r è 10%. (b) forma d'onda applicata a un micro-dispenser. Il tipico Tw, T e N sono 1 ms, 10 ms e 70 impulsi, rispettivamente.

Figura 5: messa a punto sperimentale per atomizzatori goccia di liquido. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: confronto di forma a goccia di liquido tra nudi e rivestiti subtrates. Vengono mostrati una (una) vista dall'alto del film sottile sulla superficie di niobato di litio nuda e vista laterale (b) la goccia di liquido su quella patinata. Un microlitro di etanolo è stato usato in entrambi (a) e (b). Qui, (c) e (d) mostrano una vista laterale di un microlitro di acqua sui substrati nudi e rivestiti, rispettivamente. Questa figura è stata riprodotta con permesso¹⁷. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: atomizzazione della gocciolina liquida. Vengono mostrati la superficie (a) idrofila (niobato di litio nudo) e superficie (b) idrofoba (substrato rivestito con Teflon amorfo). Il campione è 200 nL di lavanda. Questa figura è stata riprodotta con permesso¹⁷. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Micro-erogatore basato su una valvola solenoide. Vengono mostrati principio di (a) il micro-dispenser e (b) un circuito di pilotaggio per un singolo canale. Questa figura è ristampata con permesso²⁰. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: applicazione dell'atomizzatore sega rivestita con pellicola di Teflon amorfo. Dimostrazione di ricerca dal Simposio interfacce utente intelligenti (IUI) 2018 a Tokyo, Giappone.

Discussione

Uno dei componenti chiave in questo studio è il micro-erogatore costituito da un solenoide ad alta velocità valvola^18,19. Figura 8a Mostra il principio di questo micro-dispenser. Lo stantuffo è stato guidato da una bobina elettromagnetica. Il suo emissario è completamente chiuso dallo stantuffo durante la fase OFF. Lo stantuffo rapidamente mosse per disegnare liquido nella parte anteriore durante una breve fase, poi ritorna nella posizione originale e getti una minuscola goccia di liquido da un orifizio della valvola solenoide, che è guidato dal circuito mostrato in figura 8b. La quantità di una goccia di liquido è pochi nanolitri. La frequenza della valvola è compreso tra 1 e 1000 Hz, la larghezza minima dell'impulso è 0,5 ms, e funziona molto più velocemente di un'elettrovalvola tipico. La distanza tipica tra l'orifizio della valvola solenoide e il substrato era di 15 millimetri. Questo studio ha mostrato che la quantità di liquido è precisa e riproducibile; Inoltre, è robusto contro le bolle.

Persistenza di odore può essere drasticamente ridotto a causa di amorfo coatingwhen di Teflon viene utilizzato un display olfattivo basato su un atomizzatore di sega²¹. Esso può essere ulteriormente migliorata quando viene utilizzato un canale dedicato per fornire solventi alla superficie del substrato per la pulizia.

Il passaggio fondamentale nel protocollo è regolare manualmente la frequenza di eccitazione dell'atomizzatore quando si discosta da quello ottimale. Questo dovrebbe essere eseguito automaticamente in futuro. Una modifica dal protocollo iniziale doveva includere il processo di silanizzazione dal rivestimento stesso senza silanizzazione era atomizzata di Teflon.

Esistono due problemi rimanenti che limitano questa tecnica, uno è il problema di onde stazionarie. L'onda stazionaria viene generato quando si verifica la riflessione al bordo del substrato. Dal ventre e nodo compare periodicamente, atomizzazione diventa debole nel nodo. Anche se usiamo un gel di silicone per sopprimere le onde stazionarie, questo non è sufficiente. Un materiale migliore per assorbire l'energia acustica è necessario.

La seconda limitazione è la durata del rivestimento in Teflon. Il rivestimento in Teflon è parzialmente rimosso dopo d'atomizzazione di un liquido molte volte. Poiché la condizione attuale per il rivestimento non è stata studiata estesamente, gli autori possono ottimizzarlo per estendere la durata del rivestimento di Teflon.

Tuttavia, l'importanza del protocollo nei confronti di metodi esistenti è la riduzione del liquido restante dopo atomizzazione su una superficie con rivestimento rispetto a senza rivestimento. Così, la persistenza di odore è drasticamente ridotto come è descritto altrove¹⁷. Utilizzando questo dispositivo di sega, dimostrazione del display olfattivo è stato effettuato. Otto-componente olfattivo display per dimostrare cassis, arancio, whisky e la loro miscela sono stati presentati a un utente con testa montare Display (Figura 9)¹⁹. In questo caso, un dispositivo di sega con il rivestimento proposto funziona bene per sopprimere la persistenza di odore, che altrimenti può peggiorare notevolmente la qualità della presentazione del profumo.

La tecnica qui descritta è importante per la visualizzazione olfattiva. Inoltre, l'atomizzatore di sega è applicabile a un nebulizzatore per uso medico e ionizzazione electrospray per spettrometria di massa. L'efficienza di atomizzazione è necessaria anche in quelle applicazioni.

Materiali

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