Ustalamy tutaj metodę pokrywania powierzchni urządzenia do powierzchniowej fali akustycznej (SAW) amorficzną folią teflonową, aby poprawić wydajność atomizacji wymaganą do zastosowania na wyświetlaczu węchowym.
Method Article
Ustalamy tutaj metodę pokrywania powierzchni urządzenia do powierzchniowej fali akustycznej (SAW) amorficzną folią teflonową, aby poprawić wydajność atomizacji wymaganą do zastosowania na wyświetlaczu węchowym.
Ponieważ węch jest ważnym zmysłem w kontaktach międzyludzkich, opracowaliśmy wyświetlacz węchowy za pomocą atomizera powierzchniowej fali akustycznej (SAW) i mikrodozowników. W tym pokazie węchowym skuteczność atomizacji jest ważna, aby uniknąć problemów z trwałością zapachu, często spotykanych w ludzkich interfejsach węchowych. W ten sposób urządzenie SAW jest pokryte amorficzną folią teflonową, aby zmienić charakter podłoża z hydrofilowego na hydrofobowy. Konieczne jest również silanizowanie powierzchni podłoża piezoelektrycznego przed pokryciem teflonowym w celu zwiększenia przyczepności folii. W celu uzyskania jednolitej powłoki na podłożu zastosowano metodę powlekania zanurzeniowego. Szybki zawór elektromagnetyczny został użyty jako mikrodozownik do wypompowania kropli cieczy na powierzchnię urządzenia SAW, ponieważ jego dokładność i powtarzalność były wysokie. Następnie atomizacja stała się łatwiejsza na podłożu hydrofobowym. W tym badaniu badano amorficzną powłokę teflonową do minimalizacji pozostałej cieczy na podłożu po atomizacji. Celem opisanego tutaj protokołu jest pokazanie metod pokrywania powierzchni urządzenia SAW amorficzną folią teflonową i generowania zapachu za pomocą atomizera SAW i mikrodozownika, a następnie przeprowadzenie testu sensorycznego.
Chociaż popularne są urządzenia do stymulacji zmysłów wzrokowych i słuchowych, nie możemy przedstawić wszystkich wrażeń, które postrzegamy; chociaż zazwyczaj możemy przedstawić doznania za pomocą tylko tych dwóch zmysłów. Wyświetlacz węchowy to gadżet, który może prezentować zapach i jest używany w rzeczywistości wirtualnej, dzięki czemu użytkownik może postrzegać zapachy1,2,3,4,5,6,7. Ponieważ węch w dużym stopniu przyczynia się do emocji, bodziec węchowy jest niezbędny do wzbogacenia rzeczywistości. Wcześniej badaliśmy filmy, animacje i gry z zapachami8,9.
Kilku badaczy badało pokazy węchowe; na przykład Yanagida badał projektor zapachowy, który dostarcza zapach do określonej osoby, nawet jeśli nikt z jej otoczenia go nie dostrzega1. Yamada i wsp. badali lokalizację źródła zapachu w przestrzeni wirtualnej przy użyciu prostego modelu rozkładu gaussowskiego stężenia zapachów2. Kim i in. zaproponowali koncepcję dwuwymiarowych układów urządzeń uwalniających zapachy 3. Ponadto zaproponowano proste wyświetlacze węchowe do noszenia na ciele oraz ultradźwiękową matrycę fazowaną do kontrolowania kierunku tych zapachów4,5,6.
Jednym z problemów w wyświetlaniu węchu jest trwałość zapachu. Użytkownik może wykryć zapach nawet po zamierzonej zmianie go na powietrze lub inny zapach. Ponieważ w rzeczywistości wirtualnej lepiej jest przełączać się między zapachami tak szybko, jak to możliwe, należy zbadać problem trwałości zapachu.
Badaliśmy pokaz węchowy z funkcją mieszania wielu składników. Wcześniej opracowaliśmy ten system przy użyciu zaworów elektromagnetycznych z szybkim przełączaniem10. Chociaż stabilnie łączy wiele składników, nie udało nam się jeszcze rozwiązać problemu trwałości zapachu. W związku z tym opracowaliśmy wyświetlacz węchowy przy użyciu mikrodozowników i atomizera SAW11. Chociaż podobne techniki zostały użyte do manipulowania kropelkami cieczy12,13,14, zastosowaliśmy to do generowania zapachów. Urządzenie SAW nadaje się do rozpylania kropelek cieczy, ponieważ może rozpylać kropelki cieczy natychmiast15,16; Odkryliśmy jednak, że maleńkie kropelki cieczy pozostają na podłożu piezoelektrycznym po atomizacji. Te maleńkie kropelki cieczy powodują utrzymywanie się zapachu, nawet jeśli większość płynu jest rozpylona.
Zazwyczaj, perfumy są rozpuszczane w rozpuszczalniku, takim jak etanol, aby zmniejszyć lepkość. Jednak rozcieńczone perfumy rozprowadzają się na powierzchni podłoża piezoelektrycznego ze względu na swój hydrofilowy charakter, a wydajność atomizacji pogarsza się, gdy rozprzestrzenia się cienka warstwa. W ten sposób część cieczy pozostaje nawet po rozpyleniu, której nie można usunąć, nawet jeśli moc RF wzrośnie. Ponieważ rozpuszczalnik wkrótce potem odparowuje, tylko perfumy pozostają na podłożu i przyklejają się do niego.
W tym badaniu pokrywamy powierzchnię podłoża piezoelektrycznego cienką amorficzną folią teflonową, aby stała się ona hydrofobowa z natury. Ponieważ możemy utrzymać kulę przypominającą kropelkę na powierzchni hydrofobowej, energia potrzebna do oderwania cieczy od powierzchni podłoża maleje. Oczekuje się, że wydajność atomizacji poprawi się, gdy powierzchnia urządzenia SAW stanie się hydrofobowa. Ogólnym celem tej metody jest poprawa wydajności atomizacji, tak aby zapach był natychmiast prezentowany i mógł szybko zniknąć po jego prezentacji, ostatecznie do aplikacji na wyświetlacz węchowy. W tym artykule pokazujemy, w jaki sposób urządzenie SAW jest pokryte amorficzną folią teflonową i demonstrujemy poprawę wydajności atomizacji, a jego wyniki eksperymentalne zostały opisane w reference17.
Opisane tutaj metody zostały zatwierdzone przez Komitet Etyki Badań Naukowych w Tokio Institute of Technology.
1. Przygotowanie i sprawdzenie impedancji urządzenia SAW
2. Silanizacja
3. Amorficzna powłoka teflonowa
4. Eksperymentalny zestaw do atomizacji
5. Atomizacja
6. Wykrywanie zapachów
Jeden mikrolitr etanolu umieszczono zarówno na gołym, jak i powlekanym podłożu LiNbO3 (etanol był zazwyczaj używany jako rozpuszczalnik do perfum). Cienka warstwa roztworu etanolu powstała po jego rozprowadzeniu na podłożu (Rysunek 6a); z drugiej strony, kuli podobny kształt został zachowany na pokrytym podłożu (Rysunek 6b). Kąt zwilżania jednego mikrolitra wody wzrósł z 50 do 110 stopni po amorficznym pokryciu teflonem (Rysunek 6c i 6d). Stwierdzono, że amorficzna powłoka teflonowa wzmacnia hydrofobowy charakter. Kulisty kształt kropli utrzymywał się na pokrytym podłożu, podczas gdy ciecz rozprowadzała się w cienkiej warstwie na gołym podłożu.
Następnie przeprowadzono eksperyment z atomizacją 200 nL lawendy (Rysunek 7). Kolejne obrazy atomizacji bez powłoki i z powłoką są pokazane w Rysunek 7a i 7b, odpowiednio. Skala czasowa na zdjęciach została uzyskana na podstawie liczby klatek zarejestrowanych aparatem cyfrowym. Lawendę rozcieńczono etanolem (stosunek rozcieńczenia: 50:1 v/v). Na gołym podłożu płyn rozprowadzał się natychmiast po jego dozowaniu. Po 33 ms silna atomizacja nastąpiła w środku cieczy, podczas gdy tylko ograniczona mgła została wygenerowana na krawędzi cieczy w okręgu, jak pokazano na Rysunek 7a. Po 100 ms atomizacja ustała; Tak więc, chociaż atomizacja nastąpiła na początku, ustała wkrótce potem. Wtedy część płynu pozostała. Podczas gdy rozpuszczalnik szybko odparowywał, częściowa substancja rozpuszczona pozostawała na powierzchni podłoża; W ten sposób pozostała substancja rozpuszczona spowodowała poważne utrzymywanie się zapachu. Z drugiej strony, kształt przypominający kulę o kącie zwilżania większym niż 90 stopni został utrzymany na pokrytym podłożu po jego wydaniu (Rysunek 7b). Podczas atomizacji powstała skoncentrowana mgła. Po atomizacji na mniejszym obszarze pozostało znacznie mniej cieczy na mniejszym obszarze w porównaniu z gołym podłożem. Ponieważ pozostała ciecz nie była gładką i kompletną powierzchnią, ale zamiast tego tworzyła małe pojedyncze kropelki, trudno jest dokładnie obliczyć pokrycie kropel na powłoce teflonowej. Z grubsza rzecz biorąc, pozostała ciecz na powierzchni hydrofobowej stanowiła co najwyżej 10% cieczy na powierzchni hydrofilowej.

Rysunek 1: Rozpylacz SAW. (a) Konfiguracja urządzenia SAW oraz (b) zasada działania rozpylacza SAW. Jego elektroda składa się ze złota i chromu. Rysunek 1a jest przedrukowany za zgodą20. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Urządzenie SAW na płytce drukowanej.

Rysunek 3: Powlekarka zanurzeniowa użyta w tym badaniu.

Rysunek 4: Sekwencje czasowe. (a) Przebieg sygnału impulsu RF. Typowe wartości Vpp i Tr wynoszą odpowiednio 85 Vp-p i 1 s. Typowy cykl pracy, taki jak T, H/Tr, wynosi 10%. b) Kształt fali zastosowany do mikrodozownika. Typowe Tw, T i N to odpowiednio 1 ms, 10 ms i 70 impulsów.

Rysunek 5: Eksperymentalny układ do rozpylania kropelki cieczy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Porównanie kształtu kropel cieczy między nieosłoniętymi i powlekanymi subtratami. Pokazano (a) widok z góry cienkiej warstwy na nieosłoniętej powierzchni niobianu litu i (b) widok z boku kropli cieczy na pokrytej. Jeden mikrolitr etanolu użyto zarówno w (a), jak i (b). Tutaj (c) i (d) pokazują widoki z boku jednego mikrolitra wody odpowiednio na gołym i powlekanym podłożu. Ten rysunek został powielony za zgodą17. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Atomizacja kropli cieczy. Pokazano (a) powierzchnię hydrofilową (goły niobian litu) i (b) powierzchnię hydrofobową (podłoże pokryte amorficznym teflonem). Próbka to 200 nL lawendy. Ten rysunek został powielony za zgodą17. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Mikrodozownik oparty na zaworze elektromagnetycznym. Pokazane są (a) zasada działania mikrodozownika i (b) obwód sterownika dla pojedynczego kanału. Ten rysunek jest przedrukowany za zgodą20. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Zastosowanie atomizera SAW pokrytego amorficzną folią teflonową. Demonstracja badawcza z sympozjum Intelligent User Interfaces (IUI) 2018 w Tokio, Japonia.
Jednym z kluczowych elementów w tym badaniu jest mikrodozownik wykonany z wysokoobrotowego zaworu elektromagnetycznego18,19. Rysunek 8a przedstawia zasadę działania tego mikrodozownika. Tłok był napędzany cewką elektromagnetyczną. Jego wylot jest całkowicie zamknięty przez tłok w fazie OFF. Tłok szybko porusza się, aby zassać ciecz z przodu podczas krótkiej fazy włączenia, a następnie wraca do pierwotnego miejsca i wystrzeliwuje maleńką kropelkę cieczy z otworu zaworu elektromagnetycznego, który jest napędzany przez obwód pokazany na rysunku 8b. Ilość jednej kropli cieczy to kilka nanolitrów. Częstotliwość zaworu wynosi od 1 do 1000 Hz, jego minimalna szerokość impulsu to 0,5 ms i działa znacznie szybciej niż typowy zawór elektromagnetyczny. Typowa odległość między kryzą elektrozaworu a podłożem wynosiła 15 mm. Badanie to wykazało, że ilość płynu jest precyzyjna i powtarzalna; Ponadto jest odporny na pęcherzyki.
Trwałość zapachu może być drastycznie zmniejszona dzięki amorficznej powłoce teflonowej, gdy używany jest wyświetlacz węchowy oparty na atomizerze SAW21. Można go jeszcze poprawić, stosując kanał dedykowany do dostarczania rozpuszczalników na powierzchnię podłoża w celu oczyszczenia.
Krytycznym krokiem w protokole jest ręczna regulacja częstotliwości wzbudzenia rozpylacza, gdy odbiega ona od optymalnej. W przyszłości powinno to być wykonywane automatycznie. Modyfikacja w stosunku do pierwotnego protokołu miała obejmować proces silanizacji, ponieważ sama powłoka teflonowa bez silanizacji była rozpylana.
Pozostają dwie kwestie, które ograniczają tę technikę, a jedną z nich jest problem z falą stojącą. Fala stojąca jest generowana, gdy odbicie występuje na krawędzi podłoża. Ponieważ antywęzeł i węzeł pojawiają się okresowo, atomizacja staje się słaba w węźle. Chociaż używamy żelu silikonowego do tłumienia fali stojącej, to nie wystarczy. Konieczny jest lepszy materiał do pochłaniania energii akustycznej.
Drugim ograniczeniem jest trwałość powłoki teflonowej. Powłoka teflonowa jest częściowo usuwana po wielokrotnym rozpyleniu cieczy. Ponieważ obecny stan powłoki nie został dokładnie zbadany, autorzy mogą ją zoptymalizować, aby przedłużyć trwałość powłoki teflonowej.
Niemniej jednak znaczenie protokołu w odniesieniu do istniejących metod polega na redukcji pozostałej cieczy po atomizacji na powierzchni z powłoką w porównaniu do bez powłoki. W ten sposób trwałość zapachu jest drastycznie zmniejszona, jak to opisano w innym miejscu17. Za pomocą tego urządzenia SAW przeprowadzono demonstrację pokazu węchowego. Ośmioskładnikowy wyświetlacz węchowy demonstrujący kasę, pomarańczę, whisky i ich mieszaninę zaprezentowano użytkownikowi za pomocą wyświetlacza montowanego na głowie (Rysunek 9)19. W tej sytuacji urządzenie SAW z proponowaną powłoką dobrze sprawdza się w tłumieniu utrzymywania się zapachu, który w przeciwnym razie może znacznie pogorszyć jakość prezentacji zapachu.
Opisana tutaj technika jest ważna dla wyświetlania węchu. Ponadto atomizer SAW ma zastosowanie do nebulizatora do użytku medycznego i jonizacji elektrorozpylania do spektrometrii mas. W tych zastosowaniach wymagana jest również wydajność atomizacji.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
To badanie było częściowo wspierane przez program JST Mirai, Grant Number JPMJMI17DD.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Urządzenie SAW | Lightom | Wykonany na zamówienie | |
| analizator sieci | SDR-kit | DG84AQ VNWA 3E | |
| Powlekarka zanurzeniowa | Aiden | DC4300 | |
| Środek sprzęgający silan | Shin-etsu Chemical | KBE 903 | |
| Cytop amorficzna powłoka teflonowa Szkło | Asahi | CT107MK | |
| Rozpuszczalnik do rozcieńczania powłoki cytop | Szklany | zawór elektromagnetyczny Asahi CT-SOLV100K | |
| Lee | INKA2438510H | ||
| Układ tranzystorów | Texas Instrument | ULN2803A | |
| Wzmacniacz mocy RF | Mini-obwody | ZHL-5W-1 | |
| Aparat cyfrowy | Panasonic Corp | DMC-FZ300 | |
| Wyświetlacz do montażu na głowie | Zestaw słuchawkowy | Occulus | |
| Płyta grzejna | jako jeden | HHP-170A |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission