Summary
Nós aqui estabelecer um método para revestir a superfície de um dispositivo de onda acústica de superfície (Serra) com película de Teflon amorfo para melhorar a eficiência de atomização exigida para aplicação de um display olfativo.
Abstract
Desde que o olfato é um sentido importante em interfaces humanas, temos desenvolvido um display olfativo usando um atomizador de onda acústica de superfície (Serra) e microdistribuidores. Esta indicação olfativa, a eficiência de atomização é importante para evitar problemas de persistência de cheiro frequentemente encontrados em interfaces olfativos humanos. Assim, o dispositivo de serra é revestido com filme amorfo de Teflon para mudar a natureza do substrato de hidrofílico para hidrofóbico. Também é necessário para silanize a superfície do substrato piezoelétrico antes do revestimento de Teflon para melhorar a aderência do filme. Um método de revestimento de mergulho foi adotado para obter o revestimento uniforme sobre o substrato. A válvula de solenoide de alta velocidade foi usada como microdistribuidor de bico uma gota de líquido para a superfície do dispositivo de serra, desde que sua precisão e reprodutibilidade foram altos. Em seguida, a atomização tornou-se mais fácil sobre o substrato hidrofóbico. Neste estudo, estudou-se o revestimento de Teflon amorfo para minimizar o líquido restante no substrato após a atomização. O objetivo do protocolo descrito aqui é mostrar os métodos para revestir uma superfície de dispositivo de serra com a película de Teflon amorfa e gerando o cheiro usando o atomizador de serra e um microdispensador, seguido por um teste sensorial.
Introduction
Embora os dispositivos para estimular os sentidos visuais e auditivos são populares, não apresentamos todas as sensações que percebemos; no entanto, normalmente podemos apresentar uma sensação usando apenas estes dois sentidos. Um display olfativo é um gadget que pode apresentar um odor, e é usado em realidade virtual para que um usuário pode perceber aromas1,2,3,4,5,6, 7. Desde que a olfação contribui grandemente para as emoções, um estímulo olfativo é indispensável para melhorar a realidade. Que estudamos, anteriormente, filmes, animações e jogos com aromas8,9.
Vários pesquisadores estudaram exibe olfativo; por exemplo, Yanagida tem estudado um projetor de perfume que proporciona um perfume a uma pessoa especificada, mesmo quando ninguém ao redor dele ou dela percebe-1. Yamada et al estudaram uma localização de origem do odor no espaço virtual, usando um modelo simples de distribuição gaussiana de odor concentração2. Kim et al propuseram o conceito de matrizes bidimensionais de odor-lançando dispositivos 3. Além disso, simples wearable exibe olfativa e o Multielementos ultra-sônico para controlar a direção destes perfumes foram propostos4,5,6.
Um dos problemas no visor olfativo é a persistência de cheiro. Um usuário pode detectar o cheiro, mesmo depois que se destina a ser alterado para o ar ou outro perfume. Desde que seja preferível para alternar entre aromas tão rapidamente quanto possível na realidade virtual, deve ser estudado o problema de persistência de cheiro.
Temos estudado a exibição olfativa com uma função de misturar muitos ingredientes. Anteriormente, desenvolvemos este sistema usando válvulas solenoide com comutação de alta velocidade10. Embora estàvel mistura-se muitos ingredientes, não poderíamos ainda resolver o problema da persistência de cheiro. Assim, desde então desenvolvemos display olfativo usando microdistribuidores e uma serra atomizador11. Embora técnicas semelhantes têm sido utilizadas para manipular as gotas líquidas12,13,14, nós aplicamos para perfumar a geração. O dispositivo de serra é adequado para as gotas líquidas de atomização, pois isso pode atomizar as gotas líquidas instantaneamente15,16; no entanto, encontramos que gotículas de líquido permanecer sobre um substrato piezoelétrico após a atomização. Essas gotículas de líquido causam cheiro persistência, mesmo que a maior parte do líquido é atomizada.
Normalmente, um perfume é dissolvido em um solvente como álcool etílico para reduzir a viscosidade. No entanto, diluído perfume se espalha sobre a superfície de um substrato piezoelétrico devido à sua natureza hidrofílica, e a eficiência de atomização deteriora-se quando se espalha película fina. Assim, uma parte dos restos líquidos mesmo depois de atomização, que não pode ser removido, mesmo se aumenta a potência de RF. Desde que o solvente se evapora logo após, somente o perfume permanece no e adere ao substrato.
Neste estudo, podemos revestir a superfície de um substrato piezoelétrico com fina película de Teflon amorfo então torna-se hidrófobo na natureza. Uma vez que podemos manter a esfera da gota-como a superfície hidrofóbica, diminui a energia necessária para retirar o líquido da superfície do substrato. Espera-se que uma eficiência de atomização é melhorada quando a superfície do dispositivo de serra se torna hidrofóbica. O objectivo geral deste método é para melhorar a eficiência de atomização para que um perfume é imediatamente apresentado e pode desaparecer rapidamente depois de sua apresentação, em última análise, para aplicação em olfativo exibir. Neste artigo, vamos mostrar como um dispositivo de serra é revestido com filme de Teflon amorfo e demonstrar a melhoria da eficiência de atomização e seus resultados experimentais foram descritos em referência17.
Protocol
Os métodos descritos aqui foram aprovados pelo humano pesquisa ética Comissão de Tokyo Institute of Technology.
1. vi dispositivo preparação e verificação de impedância
- Preparar um dispositivo de serra de 10 MHz sobre um substrato de3 LiNbO [128ó-girado corte Y, X propagação, com 21 pares de dedo de um IDT (transdutor inter digitated)], juntamente com refletores feitos de 32 pares de dedo de um lado IDT, conforme mostrado na Figura 1a.
Nota: A Figura 1b mostra o princípio de atomização. A serra é convertida em uma onda longitudinal da gota de líquido. Névoa é gerada devido à acústica de streaming se a energia de serra é suficientemente grande.
Nota: O dispositivo de serra foi fabricado pelo fabricante usando litografia foto típica de acordo com o padrão de eletrodo que os autores projetados. O substrato piezoelétrico acima mencionado foi selecionado devido a um coeficiente de acoplamento eletromecânico alta. - Montar o dispositivo de serra usando folha de alumínio e pasta condutora em uma placa de circuito impresso, feita de alumínio (projetado para este dispositivo de Serra) onde o conector SMA é anexado (Figura 2).
Nota: Uma placa de circuito impresso, feita de alumínio é eficaz para a radiação de calor. - Medir a frequência característica de impedância usando um analisador de rede. O dispositivo de serra está ligado ao analisador através de uma conexão de cabo coaxial da placa de circuito impresso. Características de frequência devem mostrar as frequências onde partes imaginárias sobre a entrada de dispositivo ir para zero, que são as frequências de ressonância do dispositivo de serra.
Nota: Quando acústica perda no dispositivo é grande, atomização não ocorre. A perda de acústica pode ser verificada medindo-se a característica de frequência de impedância. Quando o dispositivo de serra é revestido com filme de Teflon, a diferença entre as características de frequência antes e depois de revestimento deve ser monitorizado para verificar se o filme for muito espesso.
2. silanização
- Prepare o agente de acoplamento silano amino-baseado (3-ahhminopropyltriethoxy-silano). Ajuste a concentração de 0,5% (v/v) em água com uma pipeta.
Nota: Silanização é obrigatória para melhorar a aderência do revestimento de Teflon amorfo. Revestimento de Teflon é removido durante a atomização se silanização não é executada. - Limpe a superfície do dispositivo Serra usando um cotonete embebido em acetona.
- Defina o dispositivo com um aplicador de mergulho (Figura 3).
Nota: Uma placa de circuito impresso onde o dispositivo de serra é fixado usando emendando a fita é anexado ao coater do mergulho, uma vez que a espessura do dispositivo SAW (0,5 mm) é muito fina para ser anexado para o aplicador de mergulho diretamente. - Puxe o dispositivo para que a área de atomização pode ser imerso na solução a uma velocidade de 0,2 mm/s. Mantenha o aparelho na solução por 5 min.
- Puxe o dispositivo a uma velocidade de 1,7 mm/s. Mantenha o aparelho no ar por 5 min.
- Enxague o aparelho em água pura por 1 min.
- Mantenha o aparelho no ar por 30 min.
3. revestimento de Teflon amorfo
- Prepare o material amorfo de Teflon e solvente para diluição. Ajuste a concentração da solução de Teflon amorfa para 3% (v/v), utilizando o solvente.
- Defina o dispositivo com um aplicador de mergulho (Figura 3).
Nota: Revestimento de mergulho foi adotado aqui desde que o revestimento uniforme é indispensável. Revestimento duro, bem como o revestimento que é demasiado grosso pode causar a deterioração da eficiência atomização devido à atenuação da serra. - Puxar para baixo o dispositivo para que área de atomização é imerso na solução a uma velocidade de 0,2 mm/s. Mantenha o aparelho na solução por 15 s.
- Puxe o dispositivo na velocidade de 1,7 mm/s. Mantenha o aparelho no ar por 5 min.
- Puxar para baixo o dispositivo para que área de atomização é imerso na solução a uma velocidade de 0,2 mm/s. Mantenha o aparelho na solução por 15 s.
- Puxe o dispositivo na velocidade de 1,7 mm/s. Mantenha o aparelho no ar por 30 min.
- Asse o dispositivo a 180 ° C por 60 min usando uma chapa quente.
Nota: A espessura do revestimento foi aproximadamente 400 nm, de acordo com a medição de cristal de quartzo micro-balança (QCM).
4. experimental set-up para atomização
- Monte o dispositivo de serra em uma placa de circuito impresso.
Nota: Uma vez que a espessura do dispositivo SAW é 0.5 mm, pode ser facilmente quebrado. Assim, é necessário apoiá-lo mecanicamente. - Medir a frequência característica da Serra impedância dispositivo usando um analisador de rede. O dispositivo de serra está ligado ao analisador através de uma conexão de cabo coaxial da placa de circuito impresso. Características de frequência devem mostrar as frequências onde partes imaginárias sobre a entrada de dispositivo ir para zero, que são as frequências de ressonância do dispositivo Serra
Nota: Verifique a atenuação de RF para o aparelho de serra. A perda do dispositivo Serra aumenta quando inadequadamente é revestido. Este aumento na perda normalmente ocorre devido à homogeneidade do revestimento ou espessura excessiva do revestimento; assim, as características de impedância, antes e após o revestimento devem ser comparadas. A atomização não pode ser executada se a atenuação de serra é demais. - Conecte o dispositivo de serra a um gerador de função através de um amplificador de potência de RF.
- Defina a forma de onda do sinal RF explosão em um gerador de função (figura 4a). O sinal para o dispositivo de serra deve ser uma onda senoidal, e seu ciclo de trabalho deve ser de 10%. A frequência da onda também deve ser definida como a frequência de ressonância do dispositivo de serra obtida a partir das medições de impedância característica.
- Conecte um gerador de onda quadrada de explosão de uma válvula de solenoide [IE., microdistribuidor através de um circuito de condução (Figura 5)] para que um sinal de pulso 24 V pode ser fornecido ao distribuidor, que também é mencionado na discussão18, 19.
Dica: Para condução válvulas de solenoide, uma matriz de transistor é conveniente. Até oito solenoides válvulas podem ser conduzidas usando a matriz de transistor neste estudo. - Defina a microbomba para aplicar pressão para fluir o líquido ao microdistribuidor (Figura 5). A microbomba suporta a capacidade de escorvamento do microdistribuidor20.
- Use um termômetro infravermelho para medir a temperatura do dispositivo SAW, se necessário.
Nota: A temperatura no dispositivo Serra superfície normalmente atinge cerca de 45 ° C quando o RF estourou sinal (85 Vp-p e ciclo de 10% de imposto) é aplicada por 5 min.
5. atomização
- Colocar o líquido (i. e., fragrância ou químico diluído com etanol) dentro de um frasco.
- Defina a forma de onda do sinal de pulso aplicado a um microdistribuidor (figura 4b). O sinal de pulso é uma sequência de pulso de onda quadrada com um ciclo de 10% de imposto e será gerado com um gerador de função.
- Aplica o sinal de pulso ao microdistribuidor de jato uma gotícula de líquido para o dispositivo de serra18. Desde uma única gotícula de microdistribuidor é só de alguns nanoliters, uma sequência de pulso é necessária para formar uma gota maior por atomização.
- Aplica o sinal RF para o dispositivo de serra para atomizar as gotas líquidas17. O sinal é aplicado a partir de um gerador de função, através de um amplificador após a formação de gotas da líquido. O sinal deve ser aplicado enquanto vapor ainda é gerado a partir do processo de atomização.
Nota: O sinal RF é usado para ajustar a potência de RF de média. O aparelho de serra pode ter uma rachadura se a potência de RF é muito maior do que 2 w. - Observe a superfície do dispositivo de serra para inspecionar a gota de líquido restante.
- Executar o mesmo procedimento feito nas etapas 4.1-4.7 e 5.1-5.5 para um nu vi dispositivo. Em seguida, compare a quantidade de gotículas de líquido restante no substrato revestido com isso desde o primeiro nu.
6. detecção de perfumes
- Colocar o líquido num frasco, como feito na etapa 5.1.
- Ajuste a altura do atomizador de serra usando um jack, de modo que sua altura permanece igual ao nariz do participante.
- Dispense o líquido sobre o dispositivo de serra.
- Ligue o ventilador.
- Permitir que o participante detectar o cheiro.
Nota: Os autores fizeram o teste sensorial em vez de analisador de COV usado no trabalho anterior desde que a intensidade percebida em vez de concentração de vapor deve ser avaliada.
Representative Results
Um microlitro de etanol foi colocado no nus e revestidos LiNbO3 substratos (etanol era geralmente usado como um solvente para perfume). Uma película fina de solução de etanol foi formada depois espalhou-se sobre o substrato (Figura 6a); por outro lado, a forma de esfera, como foi mantida no substrato revestido (Figura 6b). O ângulo de contacto do um microlitro de água aumentou de 50 a 110 graus após o revestimento de Teflon amorfo (Figura 6 c e 6 d). Verificou-se que o revestimento de Teflon amorfo reforçada a natureza hidrofóbica. A esfera-como a forma de gota era mantida no substrato revestido, Considerando que o líquido espalhou-se em uma fina película sobre o substrato nu.
Em seguida, a experiência com atomização de 200 nL de lavanda foi realizada (Figura 7). As imagens subsequentes de atomização sem e com revestimento são mostradas na Figura 7a e 7b, respectivamente. Escala de tempo nas fotos foi obtida o número de quadros gravada por uma câmera digital. Lavanda foi diluída com etanol (factor de diluição: 50: 1 v/v). Sobre o substrato nu, o líquido se espalhou imediatamente depois que ele foi dispensado. A 33 ms forte atomização ocorreu no centro do líquido, Considerando que apenas limitada névoa foi gerada na borda líquida dentro do círculo, conforme mostrado na Figura 7a. Em 100 ms, atomização parou; Então, apesar de atomização ocorreu no início, ele parou logo depois. Então, parte do líquido permaneceu. Enquanto o solvente evaporado rapidamente, soluto parcial manteve-se na superfície do substrato; assim, o soluto restante causou a persistência de graves de cheiro. Por outro lado, o formato de esfera com seu ângulo de contato de mais de 90 graus foi mantido no substrato revestido depois que foi dispensada (Figura 7b). Uma névoa concentrada foi gerada durante a atomização. Depois de atomização, muito menos líquido em uma área menor foi deixado na área menor em comparação com o substrato nu. Desde que o líquido restante não era uma superfície lisa e completa, mas em vez disso, formaram pequenas gotículas única, é difícil calcular com precisão a cobertura de gotas no revestimento de Teflon. Grosseiramente falando, o líquido restante na superfície hidrofóbica foi, no máximo, 10% do que na superfície hidrofílica.
Figura 1: Serra atomizador. (a) configuração do dispositivo de serra e (b) princípio da Serra atomizador. Seu eletrodo consiste de ouro e cromo. Figura 1a é reproduzido com permissão de20. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Dispositivo de serra em uma placa de circuito impresso.
Figura 3: Aplicador de mergulho usada neste estudo.
Figura 4: sequências de tempo. (a) forma de onda do sinal de RF. Os valores típicos de Vpp e Tr são 85 Vp-p e 1 s, respectivamente. Um típico dever ciclo como TH/tr é 10%. (b) forma de onda aplicada a um microdistribuidor. O típico Tw, T e N são 1 ms, 10 ms e 70 pulsos, respectivamente.
Figura 5: configuração Experimental para a atomização da gota líquida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: comparação da forma de gotículas de líquido entre nu e revestido subtrates. São mostrados a uma (a) vista superior do filme fino sobre a superfície de niobato de lítio desencapado e vista lateral (b) da gota líquida sobre o revestimento. Um microlitro de etanol foi usado em ambos (a) e (b). Aqui, (c) e (d) Mostrar vistas do lado de um microlitro de água sobre os substratos desencapados e revestidos, respectivamente. Esta figura foi reproduzida com permissão de17. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: atomização da gota líquida. São mostrados a superfície (a) hidrófila (niobato de lítio desencapado) e (b) hidrofóbico superfície (substrato revestido com Teflon amorfo). A amostra é de 200 nL de lavanda. Esta figura foi reproduzida com permissão de17. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Microdistribuidor baseado em uma válvula de solenoide. São mostrados o princípio do (a) a microdistribuidor e (b) um circuito de driver para um único canal. Esta figura é reproduzida com permissão de20. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: aplicação do atomizador Serra revestido com película de Teflon amorfa. Demonstração de pesquisa desde o Simpósio de Interfaces de usuário inteligente (IUI) 2018 em Tóquio, Japão.
Discussion
Um dos componentes-chave neste estudo é o microdistribuidor de uma válvula de solenoide de alta velocidade18,19. A figura 8a mostra o princípio deste microdistribuidor. O êmbolo foi impulsionado por uma bobina eletromagnética. Sua saída está completamente fechada pelo êmbolo durante a fase OFF. O êmbolo rapidamente movimentos desenhar líquido na frente durante um curto período em fase e, em seguida, ele move de volta para o local original e jatos de uma minúscula gotícula de líquido de um orifício da válvula solenoide, que é conduzida pelo circuito mostrado na Figura 8b. A quantidade de uma gota de líquido é nanoliters alguns. A frequência da válvula é entre 1 e 1000 Hz, sua largura de pulso mínima é 0,5 ms, e funciona muito mais rápido que uma válvula de solenoide típico. A distância típica entre o orifício da válvula solenoide e o substrato foi 15 mm. Este estudo mostrou que a quantidade de líquido é preciso e reprodutível; Além disso, é robusto contra bolhas.
Persistência de cheiro pode ser drasticamente reduzida devido à coatingwhen de Teflon amorfo é usado um display olfativo com base em um atomizador de serra21. Isso pode ser melhorado quando é usado um canal dedicado para entregar solventes para limpeza a superfície do substrato.
O passo crítico no protocolo é manualmente ajustar a frequência de excitação do atomizador quando ele afasta-se do ideal. Isto deve ser executado automaticamente no futuro. Uma modificação do protocolo inicial era para incluir o processo de silanização desde Teflon revestimento em si sem silanização foi atomizada.
Há dois problemas restantes que limitar esta técnica, sendo o problema de onda estacionária. A onda estacionária é gerada quando a reflexão ocorre na borda do substrato. Desde o pico e nó aparece periodicamente, atomização torna-se fraco no nó. Embora nós usamos um gel de silicone para suprimir a onda estacionária, isto não é suficiente. Um material melhor para absorver a energia acústica é necessário.
A segunda limitação é a durabilidade do revestimento Teflon. O revestimento de Teflon é parcialmente removido após um líquido de atomização muitas vezes. Desde que a condição atual para o revestimento não tem sido estudada extensivamente, os autores podem otimizá-lo para estender a durabilidade do revestimento de Teflon.
No entanto, o significado do protocolo no que diz respeito a métodos existentes é a redução do líquido restante após a atomização em uma superfície com revestimento em comparação com sem revestimento. Assim, a persistência de cheiro é drasticamente reduzida como é descrito em outro lugar17. Demonstração do visor olfativo usando este dispositivo de serra, foi realizada. A exibição de oito-componente olfativa para demonstrar cassis, laranja, whisky e sua mistura foram apresentados a um usuário com cabeça montar exibir (Figura 9)19. Nesta situação, um dispositivo de serra com o revestimento proposto funciona bem para suprimir a persistência de cheiro, que de outra forma consideravelmente pode deteriorar a qualidade da apresentação do perfume.
A técnica descrita aqui é importante para a exposição olfativa. Além disso, o atomizador de serra é aplicável a um nebulizador para uso médico e ionização electrospray para espectrometria de massa. A eficiência de atomização é também necessário nessas aplicações.
Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este estudo foi parcialmente suportado pelo programa JST Mirai, Grant número JPMJMI17DD.
Materials
| 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 |
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