Koku görüntü için yüzey akustik dalga-Atomizer verimlilik geliştirme yöntemi

Özet

Biz burada bir koku görüntülemek için uygulama için gerekli atomizasyon etkinliğini artırmak için amorf Teflon film ile yüzey akustik dalga (SAW) Cihazın yüzeyi kaplama için bir yöntem kurmak.

Özet

Koku alma insan arabirimleri önemli bir anlamda olduğundan, bir yüzey akustik dalga (SAW) atomizer ve mikro-dağıtıcılar kullanarak bir koku göster geliştirdik. Bu koku görüntüle, atomization verimliliğini sık karşılaşılan insan koku arayüzlerde koku kalıcılığı sorunlarını önlemek için önemlidir. Böylece, testere aygıt substrat doğa hidrofilik hidrofobik için değiştirmek için amorf Teflon film ile kaplanır. Ayrıca silanize piezoelektrik substrat yüzeyi Teflon kaplama yapışma film geliştirmek için önce gereklidir. Bir daldırma kaplama yöntemi yüzey üzerinde üniforma kaplama elde etmek için kabul edilmiştir. Yüksek hızlı solenoid vana, hassasiyet ve tekrarlanabilirlik yüksek olduğundan testere aygıt yüzeye sıvı bir damlacık geçiș mikro-dağıtıcı kullanıldı. Daha sonra atomization hidrofobik yüzey üzerinde daha kolay oldu. Bu çalışmada, atomization sonra geri kalan sıvı yüzey üzerinde minimize için amorf Teflon kaplama incelenmiştir. Burada açıklanan protokol amacı ile amorf Teflon film testere aygıt yüzey kaplama yöntemleri göstermek için ve testere atomizer ve bir mikro-dispanser, kullanarak koku üreten bir duyusal test tarafından izledi.

Giriş

Cihazlar için uyarıcı görsel ve işitsel duyulara popüler olmakla birlikte, biz algıladıkları bütün duyumları sunum yapamaz; Yine de, normalde sadece bu iki duyu kullanarak bir duygu sunabilir. Bir koku ekran bir koku sunabilirim bir gadget ve böylece bir Kullanıcı kokular^{1,2,3,4,5,6algılayabilen sanal gerçeklik kullanılır, 7}. Koku alma duyguları büyük ölçüde katkıda beri koku bir uyarıcı gerçeklik artırılması için vazgeçilmezdir. Daha önce film, animasyon ve oyun koku^8,9ile inceledik.

Çeşitli araştırmacılar koku görüntüler inceledik; Örneğin, Yanagida bile onu ya da onu etrafta hiç kimse¹algıladığı zaman belirtilen bir kişiye bir koku sağlayan bir koku projektör eğitimi aldı. Yamada ve ark. koku konsantrasyon²basit Gauss dağılımı modeli kullanarak sanal alanda bir koku kaynağı yerelleştirme inceledik. Kim ve ark. aygıtları ³koku bırakmadan, iki boyutlu dizilerini kavramını önerdi. Ayrıca, basit giyilebilir koku görüntüler ve bu koku yönünü kontrol etmek için ultrasonik faz dizi Önerilen^4,5,6olmuştur.

Koku kalıcı koku görüntüsündeki sorunlardan biri. Sonra bile hava veya başka bir koku değiştirilmesi amacıyla bir Kullanıcı koku algılayabilir. O kokular arasında sanal gerçeklik mümkün olduğunca hızlı bir şekilde geçiş yapmak için tercih edilebilir olduğundan, koku kalıcılığı sorun okudu.

Koku göstermek birçok malzemeyi karıştırma bir fonksiyonu ile inceledik. Daha önce solenoid valfleri ile yüksek hızlı anahtarlama¹⁰kullanarak bu sistemi geliştirdik. Her ne kadar stabil birçok malzemeyi karışımları, biz henüz koku Kalıcılık problemi olabilir değil. Böylece, beri mikro-dağıtıcılar ve bir testere atomizer¹¹kullanarak koku göster geliştirdik. Benzer teknikler sıvı damlacıkları^12,13,14işlemek için kullanılmış olsa da, biz bu nesil kokusu için uygulanır. TESTERE cihaz sıvı damlacıkları püskürtmek bu yana sıvı damlacıkları atomik için uygundur anında^15,16; Ancak, küçük sıvı damlacıkları sonra atomizasyon piezoelektrik bir yüzey üzerinde kalmasını bulduk. Sıvı çoğu atomize olsa bile bu küçük sıvı damlacıkları koku kalıcılığı, neden.

Genellikle, bir parfüm bir solvent viskozite azaltmak için etanol gibi içine feshedilmiştir. Ancak, seyreltilmiş parfüm hidrofilik doğası nedeniyle piezoelektrik bir substrat yüzeyine yayılır ve zaman ince film yayılır atomizasyon verimliliği bozulur. Böylece, bir parçası bile atomizasyon RF güç artarsa, hangi kaldırılamaz sonra sıvı kalır. Kısa bir süre sonra çözücü buharlaşarak sadece parfüm üzerinde kalır ve substrat için sopa.

Bu çalışmada, doğada hidrofobik hale gelir böylece biz ince amorf Teflon film ile piezoelektrik bir substrat yüzeyinde kat. -Ebilmek biz almak damlacık gibi küre hidrofobik yüzey beri substrat yüzeyinden sıvı ayırma için gerekli enerji azalır. Bu testere cihazın yüzeyi hidrofobik hale geldiğinde bir atomizasyon verimlilik artırıldı bekleniyor. Böylece bir koku hemen sunulur ve hızlı bir şekilde kendi tanıtımı sonra yok olabilir atomizasyon verimliliği artırmak için bu yöntem genel amacı olduğunu Sonuçta uygulama için koku görüntülemek. Bu kağıt, biz nasıl bir testere aygıt amorf Teflon film ile kaplı göstermek ve atomizasyon verimlilik iyileştirme göstermek ve deneysel sonuçları başvuru¹⁷' tarif edildi.

Protokol

Yöntem tanımlamak burada insan Araştırma Etik Komitesi, Tokyo Teknoloji Enstitüsü tarafından onaylanmıştır.

1. cihaz hazırlık ve Empedans kontrol gördüm

1. 10 MHz testere aygıtta LiNbO₃ yüzey hazırlamak [128^o-yayılım, 21 parmak çiftlerini bir IDT (arası digitated dönüştürücü) ile X Y-kesim, döndürülmüş], Şekil 1a' gösterildiği gibi 32 parmak çiftleri bir IDT tarafında yapılmış reflektör ile birlikte.
   Not: Şekil 1b atomizasyon prensiplerini göstermektedir. TESTERE sıvı damlacık bir boyuna dalga dönüştürülür. Sis testere enerji yeterince büyük ise akustik akış nedeniyle oluşur.
   Not: Testere aygıt kullanarak tipik fotoğraf litografi yazarlar tasarlanmış elektrot desene göre üretici tarafından fabrikasyon. Yukarıda belirtilen piezoelektrik substrat yüksek elektromekanik kaplin katsayısı nedeniyle seçildi.
2. (Bu testere aygıt için tasarlanmış) alüminyum yapılmıştır baskılı bir devre kartı üzerine alüminyum folyo ve iletken yapıştırmayı kullanma testere aygıt bağlama nerede SMA bağlamak bağlı (Şekil 2).
   Not: bir baskılı devre kartı alüminyum ısı radyasyon için etkilidir.
3. Bir ağ Çözümleyicisi'ni kullanarak empedans karakteristik frekans ölçmek. TESTERE aygıtı Analyzer bir koaksiyel kablo bağlantısı ile baskılı devre kartı bağlı. Frekans özellikleri frekansları cihaz başvuruda hayali bölümlerini sıfıra, testere aygıt rezonans frekansları olan nereye göstermelidir.
   Not: aygıt akustik kaybı büyük olduğunda, atomization oluşmaz. Akustik kaybı sıklığı karakteristik empedansı ölçerek kontrol edilebilir. Ne zaman testere aygıt Teflon film, kaplama film çok kalın ise kontrol etmek için takip edilmelidir sonra ve önce frekans özellikleri arasındaki fark ile kaplanır.

2. Silanization

1. Silane amino tabanlı bağlantı Aracısı (3-ahhminopropyltriethoxy silane) hazırlayın. Onun konsantrasyonu %0.5 (v/v) suda bir pipet kullanarak ayarlayın.
   Not: Silanization amorf Teflon kaplama yapışma geliştirmek için zorunludur. Silanization yapılmaz, Teflon kaplama atomizasyon sırasında kaldırılır.
2. Aseton ile ıslatılmış bir pamuk bez kullanarak testere cihazın yüzeyi temiz.
3. Cihazın bir daldırma coater (Şekil 3) ayarlayın.
   Not: Bir baskılı devre kartı testere aygıt kullanarak sabit nerede testere aygıt (0.5 mm) kalınlığı DIP coater doğrudan bağlı çok ince olduğu için teyp tamir DIP coater bağlı.
4. Aygıtı çekin böylece atomizasyon alanı 0.2 mm hızında çözüm dalmış/s. solüsyona 5 min için cihazın tutmak.
5. Cihazın 1.7 mm bir hızda yukarı çekin/s. 5 min için havadaki cihazın tutmak.
6. Saf su cihazı 1 dk. için durulayın.
7. Cihazı için 30 dakika havada tutun.

3. amorf Teflon kaplama

1. Amorf Teflon malzeme ve çözücü seyreltme için hazır olun. Konsantrasyonu % 3 (v/v) çözücü kullanarak amorf Teflon çözümün ayarlayın.
2. Cihazın bir daldırma coater (Şekil 3) ayarlayın.
   Not: tek tip kaplama vazgeçilmez olduğu için daldırma kaplama burada kabul edilmiştir. Sert kaplama gibi çok kalın kaplama testere zayıflama nedeniyle atomizasyon verimliliği bozulma neden olabilir.
3. Cihazın çekin böylece atomizasyon alanı 0.2 mm hızında çözümde dalmış/s. 15 çözüm cihazın tutmak s.
4. Cihazın 1.7 mm hızda yukarı çekin/s. 5 min için havadaki cihazın tutmak.
5. Cihazın çekin böylece atomizasyon alanı 0.2 mm hızında çözümde dalmış/s. 15 çözüm cihazın tutmak s.
6. Cihazın 1.7 mm hızda yukarı çekin/s. havada 30 dk için cihazın tutmak.
7. 60 dk sıcak bir tabak kullanarak aygıtın 180 ° C'de pişirin.
   Not: Kaplama kalınlığı yaklaşık 400 oldu kuvars kristal microbalance (QCM) ölçüm göre nm.

4. deneysel kurulum Atomization için

1. TESTERE aygıt bir baskılı devre kartı üzerindeki bağlayın.
   Not: testere aygıt kalınlığı 0,5 mm olduğu, kolayca kırık olabilir. Böylece, mekanik olarak desteklemek gereklidir.
2. Bir ağ Çözümleyicisi'ni kullanarak testere aygıt empedans karakteristik frekans ölçmek. TESTERE aygıt analyzer baskılı devre panosunu koaksiyel kablo bağlantısı üzerinden bağlanır. Frekans özellikleri aygıt başvuruda hayali bölümlerini sıfıra, testere aygıt rezonans frekansları olan nereye Frekanslar göstermelidir
   Not: testere aygıt, RF zayıflama denetleyin. Uygunsuz bir şekilde kaplı testere cihazın kaybı artar. Bu artış kaybı, genelde kaplama inhomogeneity veya aşırı kaplama kalınlığı nedeniyle oluşur; Böylece, önce ve sonra kaplama empedans özelliklere göre olmalıdır. TESTERE zayıflama çok fazla ise atomizasyon gerçekleştirilemez.
3. TESTERE aygıtı için bir işlev üreteci bir RF güç amplifikatörü ile bağlayın.
4. RF veri bloğu sinyal dalga bir işlev üreteci (Şekil 4a) ayarlayın. Veri bloğu sinyal için testere aygıt-meli var olmak bir sinüs dalga ve onun iş hacmi % 10 olmalıdır. Dalga frekans empedans karakteristik ölçümler elde testere cihaz rezonans frekansı için de ayarlamanız gerekir.
5. Solenoid valfi patlaması kare dalga jeneratör bağlanmak [i.e., mikro-dağıtıcı sürüş devre (Şekil 5) aracılığıyla] böylece 24 V darbe sinyal de tartışma¹⁸'^, anlatılan dispanser için sağlanabilir ¹⁹.
   İpucu: bir transistör dizi sürüş solenoid valfleri için uygundur. En fazla sekiz solenoid valfleri transistör dizi bu çalışmada kullanarak kurulabilir.
6. Mikro-pompa basınç için mikro-dağıtıcı (Şekil 5) sıvı akışı uygulamak için ayarlayın. Mikro-pompa Self-priming yeteneği olan mikro-dispanser²⁰destekler.
7. Gerekirse testere aygıt sıcaklığını ölçmek için bir kızılötesi termometre kullanın.
   Not: Testere aygıt sıcaklığında genellikle yaklaşık 45 ° RF sinyal (85 Vp-p ve % 10 iş hacmi) patladığında C 5 min için uygulanan ulaşır yüzey.

5. atomizasyon

1. Sıvı koymak (i.e., koku veya kimyasal etanol ile seyreltilmiş) içine bir şişe.
2. Bir mikro pınarı (Şekil 4b) için uygulanan darbe sinyal dalga biçimi ayarlayın. Darbe sinyali bir kare dalga darbe sırası ile % 10 iş hacmi ve işlev üreteci ile oluşturulur.
3. Nabız sinyal sıvı bir damlacık için testere aygıt¹⁸jet mikro-dispanser için geçerlidir. Tek bir damlacık mikro-dağıtıcı üzerinden sadece birkaç nanoliters olduğu için bir darbe sıra atomization için daha büyük bir damlacık oluşturmak için gereklidir.
4. RF veri bloğu sinyal sıvı damlacıkları¹⁷püskürtmek için testere cihaz için geçerli. Veri bloğu sinyal bir işlev üreteci bir amplifikatör ile sıvı damlacıkları oluşumu sonra uygulanır. Buhar hala atomizasyon işleminden oluşturulan sürece sinyal için uygulanmalıdır.
   Not: RF veri bloğu sinyal ortalama RF güç ayarlamak için kullanılır. RF Güç 2 W.'den daha büyük ise testere aygıt bir çatlak olabilir
5. Kalan sıvı damlacık incelemek için testere cihazın yüzeyi gözlemlemek.
6. 4.1-4.7 adımdan gibi aynı yordamı gerçekleştirmek ve aygıt 5.1-5.5 için çıplak gördüm. Sonra çıplak bir ile bu yüzey kaplamalı kalan sıvı damlacık miktarına karşılaştırın.

6. Koku algılama

1. Sıvı adım 5.1 yapılır bir şişe koymak.
2. Yüksekliği katılımcının burun için devam eder bir jack kullanarak testere atomizer yüksekliğini ayarlayın.
3. TESTERE cihazın üzerine sıvı dağıtmak.
4. Fan açın.
5. Koku algılamak katılımcının izin.
   Not: Yazarlar yerine buharı toplama değerlendirilmelidir algılanan yoğunluğu beri önceki çalışmalarında kullanılan VOC analyzer yerine duyusal test yaptım.

Sonuçlar

Bir microliter etanol (etanol genellikle bir çözücü parfüm için kullanılmıştır) çıplak ve kaplamalı LiNbO₃ yüzeyler üzerine yerleştirildi. (Şekil 6a); substrat yayılmış etanol çözüm ince bir film kuruldu Öte yandan, küre gibi şekil kuşeli yüzey (Şekil 6b) tutuldu. Bir microliter su temas açısı 50 amorf Teflon kaplama (Şekil 6 c ve 6 d) sonra için 110 derece arttı. Amorf Teflon kaplama hidrofobik doğa gelişmiş bulundu. Çıplak yüzey üzerinde ince bir film içine sıvı yayılmış ise damlacığı küre benzeri şekli kuşeli yüzey üzerinde tutuldu.

Sonraki, atomization 200 ile deneme nL lavanta oldu (Şekil 7) gerçekleştirilen. Atomizasyon olmadan ve kaplama ile sonraki görüntülerini şekil 7a ve 7b, sırasıyla gösterilir. Fotoğrafları zaman ölçeğinde bir dijital kamera tarafından kaydedilen kare sayısı üzerinden elde edildi. Lavanta etanol ile seyreltilmiş (seyreltme oranı: 50: 1 v/v). Hemen reçete sonra çıplak substrat sıvı yayıldı. Sadece sınırlı sis daire içinde sıvı kenarında oluşturulan şekil 7aiçinde gösterildiği gibi ise 33 ms sıvı, merkezinde güçlü atomizasyon oluştu. 100 ms atomization durdu; Bu yüzden, her ne kadar ilk başta atomizasyon oluştu, kısa bir süre sonra durdu. Sonra sıvı bir parçası kaldı. Çözücü hızla buharlaşmış iken, kısmi çözünen substrat yüzeyinde kaldı; Böylece, kalan çözünen ciddi koku kalıcılığı neden oldu. Öte yandan, reçete sonra küre benzeri şekli ile temas açısı fazla 90 derece kuşeli yüzey üzerinde devam edildi (şekil 7b). Yoğun bir sis atomizasyon sırasında oluşturulmuştur. Atomization sonra daha az sıvı daha küçük bir alanda çıplak substrat kıyasla daha küçük alan olarak kaldı. Kalan sıvı düzgün ve eksiksiz yüzey değildi ama onun yerine küçük tek damlacıkları kurdu beri doğru Teflon kaplama üzerinde damlacıklar kapsama hesaplamak zordur. Kabaca söylersek, geri kalan sıvı hidrofobik yüzey üzerinde en az yüzde 10'u bu hidrofilik yüzeyinde oldu.

Şekil 1: testere atomizer. (a) yapılandırma testere aygıt ve (b) testere atomizer prensibi. Onun elektrot altın ve krom içerir. Şekil 1a izni²⁰ile yeniden basıldı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Resim 2: aygıt bir baskılı devre kartı üzerinde gördüm.

Şekil 3: Bu çalışmada kullanılan coater daldırma.

Şekil 4: zaman dizileri. (a) dalga RF sinyal patlaması. V_s ve T_r tipik değerler şunlardır: 85 V_p-p ve 1 s, anılan sıraya göre. Tipik bir görev döngüsü gibi T_Ht_r %10. (b) bir mikro-dispanser için uygulanan dalga biçimi. Are belgili tanımlık tipik Tw, T ve N 1 ms, 10 ms ve 70 Bakliyat, anılan sıraya göre.

Şekil 5: sıvı damlacık atomik için deneysel Kur. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 6: sıvı damlacık şekil çıplak ve kaplamalı subtrates arasında karşılaştırılması. Çıplak Lityum niobate yüzeyinde ince film bir üst (a) görünümünü ve sıvı damlacık (b) yan görünüm üstünde kaplı bir gösterilmiştir. Bir microliter etanol kullanılan her iki (a) ve (b). Burada, (c) ve (d) bir microliter su yan görünümleri sırasıyla çıplak ve kaplamalı yüzeyler üzerinde gösterir. Bu rakam izni¹⁷ile yeniden. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 7: sıvı damlacık Atomization. (A) hidrofilik yüzeyinde (çıplak Lityum niobate) ve (b) hidrofobik yüzey (substrat ile amorf Teflon kaplı) gösterilmiştir. 200 örneğidir nL lavanta. Bu rakam izni¹⁷ile yeniden. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 8: mikro-dağıtıcı esaslı bir solenoid vana. (A) mikro-dispanser'ın prensip ve (b) bir sürücü devresi tek bir kanal için gösterilmiştir. Bu rakam izni²⁰ile yeniden basıldı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 9: amorf Teflon film ile kaplı testere atomizer uygulanması. Tokyo, Japonya için akıllı Kullanıcı arabirimleri (IUI) Sempozyum 2018 araştırma gösteri.

Tartışmalar

Bu çalışmada anahtar bileşenlerden biridir mikro-dağıtıcı bir yüksek hızlı solenoid vana^18,19' yaptı. Şekil 8a Bu mikro-dağıtıcı prensiplerini göstermektedir. Pistonu elektromanyetik bir bobin tarafından tahrik edildi. Onun çıkış tamamen kapalı aşamasında dalgıç tarafından kapatılır. Pistonu hızla aşama sonra bu sıvı ön sırasında kısa bir çizmek için hamle geri özgün konuma taşır ve bir delik resim 8biçinde gösterilen devre tarafından tahrik edilmektedir solenoid vana gelen küçük bir sıvı damlacık jetler. Birkaç nanoliters bir sıvı damlacık miktarıdır. Vana 1 arasında sıklığıdır ve 1000 Hz, onun en az darbe genişliği 0.5 ms ve çok tipik solenoid vana daha hızlı çalışır. Solenoid vana ağız ve substrat arasında tipik mesafesi 15 mm idi. Bu çalışmada sıvı miktarını kesin ve tekrarlanabilir olduğunu gösterdi; Ayrıca, kabarcıklar karşı sağlamdır.

Koku kalıcılığı büyük ölçüde bir testere atomizer bir koku görüntüyü kullanılır amorf Teflon coatingwhen sayesinde azaltılmış²¹. Bir kanal temizleme substrat yüzey çözücüler sunmak için adanmış kullanıldığında daha fazla geliştirilebilir.

Ne zaman en iyi bir sapma protokolündeki kritik adımı el ile atomizer uyarma sıklığını ayarlıyor. Bu gelecekte otomatik olarak gerçekleştirilmelidir. Silanization işlemi silanization atomize olmadan kendini kaplama Teflon beri dahil etmek için başlangıç iletişim kuralından bir değişiklik oldu.

Bu teknik, bir duran dalga sorun varlık sınırı iki kalan sorunları vardır. Yansıma yüzey arasındaki sınırda oluştuğunda duran dalga oluşturulur. Antinode ve düğüm görünen bu yana düzenli olarak, atomization düğümde zayıf olur. Duran dalga bastırmak için silikon jel kullanıyor olsa da, bu yeterli değildir. Gerekli, akustik enerji emmek için daha iyi bir malzemedir.

Teflon kaplama dayanıklılığını ikinci kısıtlamadır. Teflon kaplama kısmen birçok kez bir sıvı atomik sonra kaldırılır. Kaplama için geçerli durumu değerlendirdik araştırılmamıştır, yazarlar Teflon kaplama dayanıklılığını genişletmek için optimize edebilirler.

Bununla birlikte, protokolü ile ilgili mevcut yöntemler önemini kalan sıvı azaltma atomization bir yüzey kaplama kaplama olmadan göre üzerinde sonra değil. Böylece, koku kalıcılığı büyük ölçüde olarak azalır başka bir bölümünde¹⁷. Bu testere aygıt kullanarak, koku ekran gösterimi gerçekleştirildi. Cassis, portakal, viski ve onların karışımı göstermek için sekiz bileşenli koku ekran kafa (Şekil 9) görüntülemek Mount¹⁹olan bir kullanıcı için sunuldu. Bu durumda, iyi koku kalıcılığı, hangi başka türlü-koku sunum kalitesini önemli ölçüde bozulmaya bastırmak için önerilen kaplama testere aygıtıyla çalışan.

Burada açıklanan tekniği koku göstermek için önemlidir. Ayrıca, testere atomizer bir Nebulizatör tıbbi kullanım için ve kütle spektrometresi electrospray iyonlaşma için geçerlidir. Atomization verimliliği de bu uygulamalarda gereklidir.

Malzemeler

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