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用于嗅觉显示的表面声波雾化器效率增强方法

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DOI：

10.3791/58409

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2018年11月14日

 ,  ,  ,  , 
1Tokyo Institute of Technology, 2University of Electronic Science and Technology of China

本文内容

摘要

本文建立了一种在表面声波（SAW）器件表面涂覆非晶态聚四氟乙烯薄膜的方法，以提高其在嗅觉显示应用中所需的雾化效率。

摘要

由于嗅觉在人机交互界面中是一种重要的感官，我们开发了一种使用表面声波（SAW）雾化器和微剂量分配器的嗅觉显示装置。在此嗅觉显示系统中，为了避免人类嗅觉界面中常见的气味残留问题，雾化效率至关重要。因此，我们在SAW器件表面涂覆了非晶态聚四氟乙烯（Teflon）薄膜，以将基底性质从亲水性转变为疏水性。此外，在涂覆聚四氟乙烯薄膜之前，还需对压电基底表面进行硅烷化处理，以增强薄膜的附着力。采用浸涂法在基底上实现均匀涂覆。高速电磁阀被用作微剂量分配器，因其具有较高的精度和重复性，可将液滴精确喷射至SAW器件表面。随后，疏水性基底使雾化过程更易进行。本研究旨在探讨采用非晶态聚四氟乙烯涂层以最小化雾化后基底上残留液体的方法。本实验方案的目标是展示在SAW器件表面涂覆非晶态聚四氟乙烯薄膜、利用SAW雾化器与微剂量分配器产生气味，并随后进行感官测试的具体方法。

引言

尽管用于刺激视觉和听觉的设备已十分普及，但我们仍无法呈现人类感知到的所有感觉；然而，通常情况下仅依靠这两种感官即可传递某种感受。嗅觉显示装置是一种能够释放气味的设备，可用于虚拟现实中，使用户感知到气味1,2,3,4,5,6,7。由于嗅觉对情绪具有显著影响，因此嗅觉刺激在增强真实感方面不可或缺。我们此前已对带有气味的电影、动画和游戏进行了研究8,9。

多位研究人员已对嗅觉显示技术进行了研究；例如，Yanagida 研究了一种气味投影仪，能够向特定个体传递气味，而其周围的人却无法察觉1。Yamada 等人研究了在虚拟空间中使用简单的气味浓度高斯分布模型实现气味源定位的方法2。Kim 等人提出了二维气味释放装置阵列的概念3。此外，还提出了简单的可穿戴式嗅觉显示装置以及用于控制气味传播方向的超声相控阵技术4,5,6。

嗅觉显示中的一个问题在于气味残留。即使在气味本应切换为空气或其他气味之后，用户仍可能感知到之前的气味。由于在虚拟现实中尽可能快速地在不同气味之间切换是理想状态，因此应研究气味残留问题。

我们研究了一种具有多种成分混合功能的嗅觉显示装置。此前，我们使用高速切换的电磁阀开发了该系统10。尽管该系统能够稳定地混合多种成分，但我们尚未解决气味残留的问题。因此，我们随后开发了使用微剂量分配器和SAW雾化器的嗅觉显示装置11。尽管类似技术已被用于操控液滴12,13,14，但我们将其应用于气味生成。SAW器件适用于液体雾化，因其可实现液滴的瞬时雾化15,16；然而，我们发现雾化后仍有微小液滴残留在压电基底上。这些微小液滴会导致气味残留，即使大部分液体已被雾化。

通常，香精会溶解于乙醇等溶剂中以降低其黏度。然而，由于稀释后的香精具有亲水性，会在压电基底表面扩散，导致薄膜变薄，从而降低雾化效率。因此，即使增加射频功率，部分液体仍会残留在基底上。由于溶剂在雾化后很快蒸发，最终仅有香精残留在基底表面并附着其上。

本研究中，我们在压电基底表面涂覆一层非晶态聚四氟乙烯（Teflon）薄膜，使其具有疏水性。由于液滴可在疏水表面保持球形状态，因此液体从基底表面脱离所需的能量降低。当声表面波（SAW）器件表面变为疏水性时，预期雾化效率将得到提升。该方法的总体目标是提高雾化效率，使气味能够迅速释放并在呈现后快速消散，最终应用于嗅觉显示技术。本文展示了如何在SAW器件表面涂覆非晶态聚四氟乙烯薄膜，并验证了雾化效率的提升，相关实验结果已在参考文献17中描述。

方案

本文所述方法已获得东京工业大学人类研究伦理委员会的批准。

1. 声表面波器件的制备与阻抗检测

  1. 在 LiNbO3 基底 [128o 旋转 Y 切、X 传播方向，具有 21 对指状电极的 IDT（叉指换能器）] 上制备一个 10 MHz 的 SAW 器件，同时在一侧 IDT 上设置由 32 对指状电极构成的反射器，如 图 1a 所示。
    注意：图 1b 展示了雾化原理。SAW 在液滴处被转换为纵波。当 SAW 能量足够大时，由于声流效应而产生雾滴。
    注意：该 SAW 器件由制造商根据作者设计的电极图案，采用典型光刻工艺制备而成。选择上述压电基底的原因在于其具有较高的机电耦合系数。
  2. 使用铝箔和导电胶将 SAW 器件安装在由铝制成的印刷电路板上（专为此 SAW 器件设计），并在电路板上连接 SMA 接头（图 2）。
    注意：由铝制成的印刷电路板有利于散热。
  3. 使用网络分析仪测量阻抗的频率特性。SAW 器件通过同轴电缆从印刷电路板连接至分析仪。频率特性应显示器件导纳的虚部趋近于零的频率点，这些即为 SAW 器件的谐振频率。
    注意：当器件中的声学损耗较大时，不会发生雾化现象。可通过测量阻抗的频率特性来检查声学损耗。当 SAW 器件涂覆聚四氟乙烯（Teflon）薄膜时，应监测涂覆前后频率特性的差异，以判断薄膜是否过厚。

2. 硅烷化

  1. 准备氨基硅烷偶联剂（3-氨基丙基三乙氧基硅烷），用移液管将其在水中的浓度调节至0.5 %（v/v）。
    注意：必须进行硅烷化处理以增强非晶态聚四氟乙烯（Teflon）涂层的附着力。若不进行硅烷化处理，聚四氟乙烯涂层在雾化过程中会被去除。
  2. 使用浸有丙酮的棉签清洁SAW器件表面。
  3. 将器件置于浸涂仪上（图3）。
    注意：由于SAW器件厚度较薄（0.5 mm），无法直接固定在浸涂仪上，因此需先用修补胶带将其固定在一块印刷电路板上，再将该电路板连接至浸涂仪。
  4. 以0.2 mm/s的速度将器件下拉，使雾化区域浸入溶液中，并在溶液中保持5分钟。
  5. 以1.7 mm/s的速度将器件向上提起，并在空气中静置5分钟。
  6. 用纯水冲洗器件1分钟。
  7. 将器件在空气中放置30分钟。

3. 非晶态聚四氟乙烯涂层

  1. 准备非晶态聚四氟乙烯材料及稀释溶剂。使用溶剂将非晶态聚四氟乙烯溶液的浓度调节至3%（v/v）。
  2. 将器件置于浸涂仪中（图3）。
    注意：此处采用浸涂法，因为均匀涂覆至关重要。涂层粗糙或过厚会导致声表面波衰减，从而降低雾化效率。
  3. 以0.2 mm/s的速度将器件下拉，使雾化区域浸入溶液中。保持器件在溶液中15秒。
  4. 以1.7 mm/s的速度将器件上提。将器件在空气中静置5分钟。
  5. 再次以0.2 mm/s的速度将器件下拉，使雾化区域浸入溶液中。保持器件在溶液中15秒。
  6. 以1.7 mm/s的速度将器件上提。将器件在空气中静置30分钟。
  7. 使用加热板在180 °C下烘烤器件60分钟。
    注意：根据石英晶体微天平（QCM）测量结果，涂层厚度约为400 nm。

4. 雾化实验装置

  1. 将SAW器件安装在印刷电路板上。
    注意：由于SAW器件的厚度为0.5 mm，容易破碎，因此必须对其进行机械支撑。
  2. 使用网络分析仪测量SAW器件阻抗的频率特性。通过印刷电路板上的同轴电缆连接将SAW器件与分析仪相连。频率特性应显示器件导纳的虚部为零的频率点，这些频率即为SAW器件的谐振频率。
    注意：检查射频衰减在SAW器件上的情况。当SAW器件被不当涂覆时，其损耗会增加。这种损耗的增加通常由涂层不均匀或涂层过厚引起；因此，应比较涂覆前后器件的阻抗特性。如果SAW衰减过大，则无法进行雾化。
  3. 将SAW器件通过射频功率放大器连接至函数发生器。
  4. 在函数发生器上设置射频脉冲信号的波形图 4a）。SAW 器件的脉冲信号应为正弦波，其占空比应为 10%。波形频率也应设置为通过阻抗特性测量获得的 SAW 器件谐振频率。
  5. 将脉冲方波发生器连接至电磁阀即，通过驱动电路连接的微量分配器图5)] 以便向分配器提供24 V脉冲信号，这一点在讨论部分也有提及18,19.
    提示：驱动电磁阀时，使用晶体管阵列较为方便。本研究中的晶体管阵列最多可驱动八个电磁阀。
  6. 将微型泵设置为施加压力，以使液体流入微分配器（图5微泵支持微分配器的自吸功能20.
  7. 必要时，使用红外测温仪测量SAW器件的温度。
    注意：当射频脉冲信号（85 Vp-p，占空比10%）持续施加5分钟时，SAW器件表面的温度通常达到约45 °C。

5. 雾化

  1. 将液体（即将香料或用乙醇稀释的化学物质加入小瓶中。
  2. 将施加于微分配器的脉冲信号波形设置为图4b脉冲信号是占空比为10%的方波脉冲序列，由函数发生器产生。
  3. 将脉冲信号施加至微分配器，以喷射液滴至SAW器件18由于微流控分配器的单个液滴仅有几纳升，因此需要脉冲序列来形成更大的液滴以实现雾化。
  4. 将射频脉冲信号施加到SAW器件以雾化液滴17液滴形成后，通过放大器将函数发生器输出的脉冲信号施加于系统。只要雾化过程仍在产生蒸汽，信号就应持续施加。
    注意：射频脉冲信号用于调节平均射频功率。若射频功率远大于2 W，SAW器件可能出现裂纹。
  5. 观察SAW器件表面，检查是否有残留液滴。
  6. 按照步骤4.1-4.7和5.1-5.5中对裸露SAW器件所进行的相同操作步骤进行实验，然后比较涂层基底上残留液滴量与裸露基底上的残留量。

6. 气味检测

  1. 将液体注入小瓶中，操作同步骤 5.1。
  2. 使用千斤顶调节 SAW 雾化器的高度，使其高度与受试者的鼻子齐平。
  3. 将液体滴加到 SAW 装置上。
  4. 打开风扇。
  5. 让受试者感知气味。
    注意：作者采用了感官测试而非之前研究中使用的挥发性有机化合物分析仪，因为需要评估的是感知强度而非蒸气浓度。

结果

将1 µL乙醇分别滴加到未涂层和已涂层的LiNbO3基底上（乙醇通常用作香水的溶剂）。乙醇在基底表面铺展后形成一层薄膜（图6a）；而在涂层基底上，液滴则保持球状形态（图6b）。经非晶态聚四氟乙烯涂层处理后，1 µL水的接触角从50度增加至110度（图6c和6d）。研究发现，非晶态聚四氟乙烯涂层增强了基底的疏水性。在涂层基底上，液滴保持球状形态，而在未涂层基底上，液体则铺展成薄膜。

接下来进行了200 nL薰衣草精油雾化的实验（图7）。未涂层和有涂层基底上雾化过程的连续图像分别如图7a和7b所示。照片中的时间尺度由数码相机记录的帧数确定。实验中将薰衣草精油用乙醇稀释（稀释比例：50:1 v/v）。在未修饰的基底上，液体滴加后立即铺展开。在33 ms时，液体中心发生强烈的雾化现象，而在圆形区域内的液体边缘仅产生少量雾气，如图7a所示。到100 ms时，雾化过程停止；因此，尽管初始发生了雾化，但很快便终止。随后，部分液体残留。虽然溶剂迅速蒸发，但部分溶质仍残留在基底表面，从而导致明显的气味残留问题。另一方面，在涂层基底上，液滴呈现球形，接触角大于90度，滴加后仍能维持该形态（图7b）。在雾化过程中产生了高度集中的雾气。雾化结束后，残留液体的面积更小，且残留量远少于未修饰基底。由于残留液体并非平滑连续的液膜，而是形成多个独立的小液滴，因此难以精确计算液滴在聚四氟乙烯（Teflon）涂层上的覆盖面积。粗略估计，疏水表面残留的液体量最多仅为亲水表面的10%。

表面声波（SAW）过程示意图；IDT 产生用于雾化的表面声波及波型转换。
图 1：SAW 雾化器。 (a) SAW 装置的结构和 (b) SAW 雾化器的工作原理。其电极由金和铬组成。图 1a 经许可转载20。请点击此处查看此图的放大版本。

太赫兹光谱仪装置、光学测量、光谱分析、光子学研究设备。
图 2：印刷电路板上的声表面波器件。

拉伸测试装置，带载荷传感器；用于测量材料的应力-应变特性；实验示意图。
图3：本研究中使用的浸渍涂覆装置。

脉冲波形分析示意图，显示脉冲持续时间、周期、幅度；正弦波和方波。
图4：时间序列。 (a) 射频脉冲信号的波形。Vpp 和 Tr 的典型值分别为 85 Vp-p 和 1 s。典型的占空比 TH/Tr 为 10%。(b) 施加于微分配器的波形。典型的 Tw、T 和 N 分别为 1 ms、10 ms 和 70 个脉冲。

香水雾化过程；包含SAW雾化器、射频放大器和电磁阀的示意图。
图5：液体液滴雾化的实验装置。 请点击此处查看此图的放大版本。

薄膜接触角，θ=40°，θ=50°，θ=110°，用于测量表面润湿性；示意图。
图6：裸露基底与涂层基底上液滴形状的比较。 图中显示了（a）薄膜在裸露的铌酸锂表面的俯视图，以及（b）液滴在涂层基底上的侧视图。在（a）和（b）中均使用了1 µL乙醇。（c）和（d）分别展示了1 µL水在裸露基底和涂层基底上的侧视图。本图经许可转载17。请点击此处查看此图的放大版本。

液体行为的连续分析；蒸发动力学的时间序列图像；液膜与液滴。
图7：液滴的雾化过程。 图中显示的是 (a) 亲水表面（未处理的铌酸锂）和 (b) 疏水表面（涂覆非晶态聚四氟乙烯的基底）。样品为200 nL的薰衣草油。该图经许可转载17。 请点击此处查看该图的高清版本。

电磁阀控制液体流动调节的活塞系统示意图
图8：基于电磁阀的微流体分配器。 图示为（a）微流体分配器的工作原理及（b）单通道驱动电路。本图经许可转载自20。 请点击此处查看本图的高清版本。

配备头显和传感器的虚拟现实实验装置；研究环境中的用户交互。
图9：涂覆非晶态聚四氟乙烯薄膜的SAW雾化器的应用。 来自2018年在日本东京举行的智能用户界面（IUI）研讨会的研究展示。

讨论

本研究的关键组件之一是由高速电磁阀制成的微分配器18,19。图8a展示了该微分配器的工作原理。柱塞由电磁线圈驱动，在关闭阶段，柱塞完全封闭其出口。在短暂的开启阶段，柱塞迅速向前移动以吸入液体，随后返回原始位置，并从电磁阀的喷口喷射出微小的液滴，电磁阀由图8b所示电路驱动。单个液滴的体积为数纳升。该阀的工作频率范围为1至1000 Hz，最小脉冲宽度为0.5 ms，其工作速度远快于典型的电磁阀。电磁阀喷口与基底之间的典型距离为15 mm。本研究表明，液体体积精确且可重复；此外，其对气泡具有较强的耐受性。

由于非晶态聚四氟乙烯涂层的存在，当使用基于SAW雾化器的嗅觉显示装置时，气味残留可显著降低21。若采用专门用于向基底表面输送溶剂以进行清洗的通道，效果可进一步改善。

该方案中的关键步骤是在原子化器的激发频率偏离最佳频率时进行手动调节。未来应实现该过程的自动化。对初始方案的一项修改是加入了硅烷化处理步骤，因为仅使用聚四氟乙烯涂层而不进行硅烷化时会发生原子化。

该技术仍存在两个限制性问题，其一是驻波问题。当声波在基板边缘发生反射时，会产生驻波。由于波腹和波节呈周期性出现，在波节处雾化效果会减弱。尽管我们使用硅胶来抑制驻波，但效果仍不充分。因此，需要一种更理想的材料来吸收声能。

第二个局限性是聚四氟乙烯（Teflon）涂层的耐久性。在多次雾化液体后，聚四氟乙烯涂层会部分脱落。由于目前涂层制备条件尚未得到充分研究，作者可优化涂层工艺以延长其耐久性。

然而，该方案相较于现有方法的意义在于，使用涂层表面进行雾化后残留的液体量显著减少，从而极大地降低了气味残留，这一点在其他文献中已有描述17。利用该SAW装置，实现了嗅觉显示的演示。通过头戴式显示器向用户展示了由八种组分构成的嗅觉显示系统，可呈现黑醋栗、橙子、威士忌及其混合气味（图9）19。在此情况下，采用所提出涂层的SAW装置能有效抑制气味残留，否则气味残留将显著降低气味呈现的质量。

本文所述技术对嗅觉显示具有重要意义。此外，SAW雾化器还可应用于医疗用途的雾化器以及质谱分析中的电喷雾电离。这些应用同样需要较高的雾化效率。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究部分由 JST Mirai 项目（资助编号：JPMJMI17DD）支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
SAW 器件Lightom定制
网络分析仪SDR-kitsDG84AQ VNWA 3E
浸涂机AidenDC4300
硅烷偶联剂信越化学KBE 903
Cytop 无定形特氟龙涂层旭硝子CT107MK
稀释 Cytop 涂层的溶剂旭硝子CT-SOLV100K
电磁阀LeeINKA2438510H
晶体管阵列Texas InstrumentULN2803A
射频功率放大器Mini-CircuitsZHL-5W-1
数码相机 Panasonic CorpDMC-FZ300
头戴式显示器OcculusOcculus Rift Headset
加热板As OneHHP-170A

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