本文建立了一种用非晶态聚四氟乙烯薄膜在表面声波 (saw) 装置表面涂覆的方法, 以提高应用于嗅觉显示所需的雾化效率。
由于嗅觉是人机界面中的一个重要意义, 我们开发了一种使用表面声波 (saw) 雾化器和微分配器的嗅觉显示。在这个嗅觉显示中, 雾化的效率很重要, 以避免人类嗅觉接口中经常遇到的气味持久性问题。因此, saw 器件涂覆无定形聚四氟乙烯薄膜, 改变基板性质, 从亲水性转变为疏水性。在聚四氟乙烯涂层之前, 还必须对压电基板表面进行硅化, 以增强薄膜的附着力。采用浸渍法, 在基板上获得均匀的涂层。高速电磁阀由于精度高、重现性高, 被用作微分配器, 将液滴喷向 saw 装置表面。然后, 在疏水基板上雾化变得更加容易。本研究研究了雾化后用于最小化基板上剩余液体的非晶素化涂层。此处描述的协议的目的是展示用非晶态聚四氟乙烯薄膜涂覆 saw 器件表面的方法, 并使用 saw 雾化器和微型分配器产生气味, 然后进行感官测试。
虽然刺激视觉和听觉的装置很流行, 但我们无法呈现我们感知到的所有感觉;不过, 我们通常只能用这两种感觉来呈现一种感觉。嗅觉显示是一种小工具, 可以呈现气味, 它在虚拟现实中使用, 以便用户可以感知气味 1,2,3, 4, 5,6, 7。由于嗅觉对情绪的贡献很大, 嗅觉刺激是增强现实所不可缺少的。我们以前研究过有香味8、9 的电影、动画和游戏。
几位研究人员研究了嗅觉显示器;例如, yanagida 研究了一种气味投影仪, 即使周围没有人感知到它 1, 它也能向特定的人提供一种气味.山田等人利用气味浓度2的简单高斯分布模型,研究了虚拟空间中的气味源定位。kim 等人提出了气味释放装置的二维阵列的概念.此外, 还提出了简单的可穿戴嗅觉显示器和控制这些气味方向的超声波相控阵, 以控制这些气味的方向。
嗅觉显示中的问题之一是嗅觉持久性。即使在气味被改变到空气或其他气味之后, 用户也可能会检测到这种气味。由于在虚拟现实中, 最好尽快在气味之间切换, 因此应研究气味持久性问题。
我们研究了嗅觉显示的功能, 混合了许多成分。我们以前开发的这个系统使用电磁阀与高速开关10。虽然它稳定地混合了许多成分, 我们还不能解决气味持久性的问题。因此, 我们开发了使用微型分配器和 saw 雾化器11的嗅觉显示。虽然类似的技术已被用来操纵液体液滴 12,13,14, 我们将其应用于气味的产生。saw 装置适用于雾化液滴, 因为它能瞬间雾化液滴 15,16;然而, 我们发现, 在雾化后, 微小的液滴停留在压电基板上。这些微小的液体液滴导致气味持久性, 即使大部分液体是雾化的。
通常情况下, 香水溶解在溶剂中, 如乙醇, 以降低粘度。然而, 稀释后的香水由于其亲水性, 扩散到压电基板表面, 当薄膜扩散时, 雾化效率会下降。因此, 即使在雾化后, 液体的一部分仍然存在, 即使 rf 功率增加, 也无法去除。由于溶剂很快就会蒸发, 只有香水停留在基板上并粘附在基板上。
在本研究中, 我们用薄的非晶素薄膜覆盖压电基板表面, 使其在本质上变得疏水。由于我们可以将液滴状球体保持在疏水表面, 因此从基板表面分离液体所需的能量会减少。当 saw 器件表面变得疏水时, 预计雾化效率会提高。该方法的总体目标是提高雾化效率, 使气味立即呈现, 并在呈现后迅速消失, 最终应用于嗅觉显示。本文介绍了 saw 器件是如何涂覆无定形聚四氟乙烯薄膜的, 并在参考17中说明了雾化效率的提高及其实验结果。
本研究的关键部件之一是由 18、19高速电磁阀制成的微型分配器。图 8a显示了该微型分配器的工作原理。柱塞是由电磁线圈驱动的。在 off 阶段, 柱塞完全关闭其出口。柱塞在短 on 阶段快速移动以在前面提取液体, 然后返回到原来的位置, 并从电磁阀的一个孔口喷射一个微小的液滴, 该口由图 8b所示的电路驱动。一个液体液滴的量是几个纳米粒。该阀的频率在1至 1000 hz 之间, 其最小脉冲宽度为 0.5 ms, 并且比典型的电磁阀工作得快得多。电磁阀孔口与基板之间的典型距离为 1 5 毫米。本研究表明, 液体的用量是精确的、可重复的;此外, 它是强大的泡沫。
当使用基于 saw 雾化器的嗅觉显示21时, 由于非晶素特氟龙涂布, 气味持久性可以大大降低.当使用专用于将溶剂输送到基板表面进行清洗的通道时, 它可以得到进一步改进。
协议中的关键步骤是在雾化器偏离最优时手动调整其励磁频率。这应该在将来自动执行。最初的协议的一个修改是包括硅化过程, 因为聚四氟乙烯涂层本身没有硅化是雾化的。
还有两个问题限制了这一技术, 一个是驻波问题。当在基板边缘发生反射时, 就会产生驻波。由于反极子和节点周期性出现, 在节点上雾化变得很弱。虽然我们用硅胶来抑制驻波, 但这还不够。更好的材料来吸收声能是必要的。
第二个限制是特氟龙涂层的耐久性。在对液体雾化多次后, 特氟龙涂层被部分去除。由于目前涂料的使用情况还没有得到广泛的研究, 因此可以对其进行优化, 以提高特氟龙涂层的耐久性。
然而, 该议定书对现有方法的意义在于, 与不含涂层的涂层相比, 表面雾化后剩余液体的减少。因此, 气味持久性大大减少, 如其他地方所述17。使用此 saw 设备, 演示嗅觉显示。8个组件的嗅觉显示, 以显示卡西斯, 橙色, 威士忌, 和他们的混合物被呈现给用户与头部安装显示 (图 9)19。在这种情况下, 具有所建议涂层的 saw 设备可以很好地抑制气味持久性, 否则会大大降低气味呈现的质量。
这里描述的技术对嗅觉显示很重要。此外, saw 雾化器还适用于医疗用雾化器和质谱电喷雾电离。在这些应用中也需要雾化效率。
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了 jst 米拉伊计划 jst mirai 计划的部分支持, grant 编号 jjmjmi17dd。
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 |