Spin Coater V1 (takmer analógový): 9 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Nie všetky zariadenia sú vyrobené tak, aby vydržali, som študent/výskumník študujúci tenkovrstvové materiály pre slnečnú technológiu. Jeden z dielov zariadenia, na ktorom som závislý, sa nazýva spin coater. Toto je nástroj používaný na výrobu tenkých vrstiev materiálu z kvapalného roztoku alebo prekurzora. Tieto tenké filmy je možné vrstviť do zariadení, ako sú články solárnych panelov alebo diódy LED.

Na mojej univerzite sme mali veľa problémov s dostupnejšími komerčnými produktmi, ktoré sú k dispozícii za ekvivalent niekoľkých tisíc dolárov. Tieto komerčné rotačné nanášacie zariadenia používajú vákuové skľučovadlo na zadržiavanie vzoriek a problémy, s ktorými sa stretli, zahŕňali okrem iného zadreté motory, upchaté vákuové skľučovadlá, fajčiarske kondenzátory, ktoré ovplyvňovali spätnú väzbu, na ktorú sa riadenie rýchlosti spoliehalo. Nie som si vedomý problémov, ktoré s nimi mala každá výskumná skupina, ale viem, že sa v zásade vyskytol najmenej jeden, ktorý sa opravuje alebo čaká na opravu.

Zdieľam dizajn, ktorý zdieľam, je jednoduchý. Pôvodne používal namiesto vákuového skľučovadla na držanie vzoriek obojstrannú pásku, neskôr bol aktualizovaný tak, aby sa používal jednoduchšie (pozri krok 6). V prevádzke je už viac ako rok pri miernom použití. Okrem opotrebovania relé (pri inštalácii to nebolo nové relé) neboli žiadne problémy.

Projekt je vyrobený väčšinou z nájdených dielov, ako je motor s prúdovým hodnotením 1 „leer“(500 mA), betónu, stavebného dreva a niektorých zachránených elektronických súčiastok.

Zásoby

Očakávam, že ktokoľvek, kto sa pokúša o tento projekt, urobí variácie, takže toto nie je vyčerpávajúci zoznam toho, čo je pre projekt potrebné.

Jadro:

Jednosmerný motor schopný otáčok najmenej 4000 ot / min

Skľučovadlo vyrobené pre zvolený motor (diskutované neskôr)

Komora:

Okrúhla plastová vanička (ja som použila jogurtovú)

Hrubý plast alebo alternatíva k obloženiu dna vane

Papierová utierka

Páska

Držiak:

odrezok z borovice 38 x 228 mm (zvyčajne sa používa na krokvy v strešnej krytine)

Záves dlhý 30 mm

Guma alebo tvrdá pena (montáž na motor)

Skrutka M6 so skrutkovačom vhodnou hlavou

Matica M6

6 mm podložka

Základňa a zavesenie:

Ťažký základ (použil som betónový blok narezaný na mieru)

Závitová tyč M6

9x matíc M6 pre závitovú tyč

3x dlhé pružiny s priemerom 8 mm

Podložky 12 x 6 mm

Základy ovládania:

Krabica projektu (použil som zmrzlinovú vaňu, je to dobrá výhovorka, jedzte zmrzlinu)

Napájanie 12 V (použil som 2, takže motor mohol byť na samostatnom zdroji)

1x usmerňovacia dióda pre motor

2 -stupňový časovač:

2x n-kanálový MOSFET (ako IRF540)

2x 47 uF cap hliník 35V

2x B500k pot dual slides

Odpor 200K

10K odpor

2x usmerňovacie diódy pre relé

Momentový kontakt stlačením tlačidla

Relé SPST (spustenie/zastavenie časovača)

Relé DPDT (časovač rýchlosť 1/rýchlosť 2 prechod)

Obvod PWM:

1x časovač NE555

1x 1k odpor

2x 10nC kondenzátory

1x n-kanálový MOSFET (napríklad IRF540)

1x chladič pre MOSFET

1x izolačná silikónová podložka pre chladič

www.mantech.co.za/ProductInfo.aspx?Item=14…

2x 10k hrnce (pracovný cyklus)

1x usmerňovacie diódy pre relé

Testovanie rýchlosti motora:

Ideálne:

optický tachometer.

Alternatíva:

Páska

Tenký drôt ako tvrdý predmet (napr. Drôt, špáradlo, kancelárska sponka)

Počítač s nainštalovaným programom „Audacity“https://www.audacityteam.org/

Krok 1: Máte vhodný motor?

Väčšina rotačných nanášacích zariadení potrebuje pracovať v rozsahu otáčok 500 až 6000 ot / min. Moja práca potrebuje 2 000 a 4 000 otáčok za minútu ako najrýchlejšie dovozové rýchlosti, aby som si vystačil s jednosmerným motorom, v ktorom som ležal a ktorý pracoval v rozsahu 1 100 až 4 500 otáčok za minútu, môj motor môže bežať pomalšie, aj keď pomalšie otáčky sú menej spoľahlivé kvôli odpor v motore.

Ak máte 12 V motor, nájdite vhodný motor a napájací zdroj. Zosúlaďte napätie požadované vašim motorom a prúd napájacieho zdroja by mal byť v ideálnom prípade o 20% vyšší, ako požaduje motor. Ak máte 24 V motor, budete potrebovať menič alebo samostatný napájací zdroj, ktorý dodá elektronike 12 V.

Ďalej budeme chcieť otestovať minimálne a maximálne rýchlosti, ktoré váš motor dokáže pojať. Ak máte napájací zdroj s voliteľným/nastaviteľným napätím, použite tento, ak nie, postavte obvod PWM zobrazený v riadiacom obvode ďalej (alebo plný riadiaci obvod).

Krok 2: Test rýchlosti

Optický tachometer je skvelý nástroj na testovanie rýchlosti motora, ak sa vám nejaký dostane do rúk, tu uvádzam alternatívnu metódu.

Časť A.

1. Pripravte počítač na záznam zvuku pomocou programu „Audacity“, ktorý je bezplatným zvukovým editorom.

2. Omotajte pásku okolo hriadeľa motora (elektrická alebo maskovacia páska bude fungovať dobre).

3. Nastavte motor na najnižšie otáčky, ktoré dokáže zvládnuť.

4. Začnite nahrávať zvuk.

5. Podľa videa v tejto časti priveďte na niekoľko sekúnd kovový špendlík, klinec alebo kancelársku sponku zľahka do kontaktu s páskou.

6. Zastavte nahrávanie.

7. Opakujte pre maximálnu rýchlosť.

8. Prezrite si zvuk a cvičte otáčky.

Keď sa dotýkame pásky kovovým kolíkom, chceme, aby sa len sotva dotýkala. Čím bližšie kolík priblížite k hriadeľu motora, tým viac sa páska musí ohnúť, aby ním prešla, a čím viac spomaľujeme alebo berieme hybnosť od motora. Ak je kontakt medzi páskou a kovovým kolíkom príliš svetlý, nemusíme mať v zázname dostatočnú hlasitosť, ktorá by nám mohla povedať, kedy dôjde k kontaktu. Na výpočet otáčok za minútu zo zvuku v Audacity (pozri obrázok v hornej časti)

Časť B.

1. Približujte zvuk, kým neuvidíte zreteľné špičky miesta, kde sa špendlík dotýka.

2. Kliknite ľavým tlačidlom myši na vrchol a podržte ho, pričom pohybujte myšou tak, aby vybraná oblasť pokrývala najmenej 5 píkov.

3. Spočítajte počet vrcholov.

4. Pomocou zobrazenia času „Začiatok a koniec sekcie“v spodnej časti okna získate čas, ktorý trvá, kým dôjde k týmto vrcholom/otočeniam.

5. (počet píkov)/(čas v sekundách) = otáčky za sekundu

6. RPM = (otáčky za sekundu)*60

Pred postavením krytu pre tento motor je dôležité zaistiť, aby váš motor fungoval na požadované rýchlosti. Na konci zopakujeme test rýchlosti pre kalibráciu, pričom vynecháme krok 7 časti A a krok 3 nahradíme rýchlosťou, ktorú testujeme.

Krok 3: Ukážka Chucka

Najdôležitejšou súčasťou tejto zostavy je ukážkové skľučovadlo. Pokiaľ ide o hliníkové skľučovadlo, môj priateľ (Gerry) to otočil na sústruhu, potom sa poklepal závitom, aby sa zmestil do môjho konkrétneho motora (v mojom prípade cisárskeho závitu). Pri motore so skrutkovým závitom na hriadeli je montáž skľučovadla jednoducho jeho zaskrutkovanie po vyrobení (odkaz). Považujem to za jednoduchšie, aj keď je väčšia pravdepodobnosť, že dôjde k precesii, na ktorej je skľučovadlo namontované. Ak použijete motor s hladkým hriadeľom, nebudete mať žiadne problémy s „vôľou“v závite. Problém je v tom, že hriadeľ bude musieť byť buď prilepený, alebo ešte lepšie bude mať skrutku na dotiahnutie na hriadeľ.

Ak máte prístup k sústruhu na obrábanie kovov a niekomu šikovnému na jeho používanie, je najlepšie skľučovadlo otočiť. Ak má váš motor závit, klepnite na závit v strede skľučovadla. Pri motore s hladkým hriadeľom budete musieť použiť niečo ako skrutku, ktorá pritlačí na stranu hriadeľa a udrží ho na svojom mieste.

Alternatívou zobrazenou na obrázkoch vyššie je vziať dierovú pílu a rezať kotúč pomocou vŕtačky. Potom klepnutím klepnite na vlákno do stredu. Ak máte mäkký materiál, môžete otrepy odstrániť nožom, na tvrdší materiál by bol vhodný pilník. Hornú časť otvoru je potom možné vyplniť epoxidom alebo vystrihnúť z plechu epoxidom na povrch.

BEZPEČNOSŤ: Používanie lepidla/epoxidu na skľučovadlo sa neodporúča, pretože ak lepidlo zlyhá … kam skľučovadlo ide? Skľučovadlo sa počas používania bude otáčať vysokou rýchlosťou, takže skľučovadlo z tenkého kovového plechu ho potenciálne zmení na rezací kotúč. Odporúčam použiť materiál s hrúbkou najmenej 5 mm.

Krok 4: Postavte držiak motora - základňu a pružiny

Držiak motora by mal slúžiť 2 účelom, udržiavať motor na mieste a tlmiť vibrácie. Držiak, ktorý vyrobíte, bude špecifický pre váš motor. Opíšem, čo som urobil, aby ste mali predstavu o tom, ako si vytvoriť vlastný. Niektoré motory majú bočné vetranie, preto si dajte pozor na to, kde sa nachádza, a nechajte ho chladné.

Základňa a pružiny Nájdite ťažkú základňu, ktorá je pre projekt dostatočne veľká. Našiel som časť betónu vhodnej hrúbky a narezal som ju na mieru pomocou kotúča diamantovej uhlovej brúsky. Rovnako dobre by mali fungovať aj betónové dlažby alebo hrubá kovová platňa. Ak môžete, pokúste sa nájsť niečo, čo nie je potrebné rezať.

Kamene v betóne sťažujú vŕtanie a niekedy to znamená, že sa diery budú unášať nabok. Pred vyznačením otvorov na kryte motora som teda vyvŕtal do základne závitovú tyč (ak máte prístupnejší materiál, na poradí nezáleží).

1. Vyvŕtajte otvory pre závitovú tyč murárskym vrtákom s priemerom závitovej tyče.

2. Oveľa väčším vrtákom do muriva postavte koniec závitovej tyče, podložky a matice, ktoré budú pod základňou, proti dnu.

3. Na drevenom bloku telesa motora označte otvory pre tyč so závitom alebo na kus papiera, ktorý neskôr použijete ako šablónu.

4. Odrežte závitovú lištu na dĺžku, zarežte rezaný okraj a skontrolujte, či je závit stále dobrý. Umiestnenie matice na lištu pred rezaním. Keď je táto odstránená, môže opraviť/vyrovnať závit, ak nie je príliš poškodená.

5. Umiestnite tyče cez betón, za ktorými nasleduje podložka a matica na každej strane.

6a. Ak sa vám podarilo nájsť dostatočne dlhé a tuhé pružiny, ktoré podopierajú motor a kryt, môžete ich umiestniť a nasledovať hrubú podložku. Je potrebná hrubá podložka, pretože tenká podložka sa môže zachytiť v závite. Svoje vlastné podložky si môžete vyrobiť vyvŕtaním otvoru cez vhodný kus kovu a dokončením otvoru pilníkom.

6b. Ak radšej nepoužívate pružiny, namiesto nich je možné použiť maticu a podložku, nevýhodou je, že to nebude slúžiť na tlmenie vibrácií motora.

Krok 5: Postavte držiak motora - kryt motora

Skriňa motora bola vyrobená ako svorka, kusy borovice boli zavesené dohromady s dutinou v strede a maticou a skrutkou, aby sa pevne upevnili. Drevo použité na moje bývanie bolo odrezané z krokvy s prierezom 38 x 228 mm.

1. Zistite veľkosť dreva, ktoré potrebujete pre svoj motor, a označte kus ako na (a) vyššie uvedenej fotky.

2. Vyznačte otvor nie menší ako priemer vášho motora, potrebujeme malý priestor na gumový pás, ktorý bude medzi motorom a krytom. Zostava je vzhľadom na veľkosť otvoru zhovievavá kvôli montáži podobnej svorke (záves a skrutka).

3. Vyvŕtajte pilotný otvor a potom dieru vyvŕtajte pomocou dierovej píly. Pílu na diery, ktorú som použil, používal iba rezy hlboké asi 22 mm, takže som vŕtal do polovice z každej strany.

4. Označte a vyvŕtajte otvory pre závitovú tyč, ktorá bude podopierať kryt motora. Tieto by mali byť aspoň o 1 mm hrubšie ako závitová tyč, aby sa umožnil voľný pohyb.

5. Zaskrutkujte záves podľa (b) na vyššie uvedenej fotografii a potom ho vyberte. Toto má urobiť diery.

6. Vyrežte tvar podľa písmena b) vyššie uvedenej fotky, použil som spätnú pílu.

7. Tvar nám umožňuje mať skrutku oproti závesu. Vyvŕtajte otvor pre skrutku podľa obrázka (c) na vyššie uvedenej fotografii. Otvor by mal byť asi o 2 mm väčší ako skrutka, aby sa umožnilo ľahké otváranie a zatváranie zostavy.

8. Odrežte kus pozdĺžne ako na (d) vyššie uvedenej fotografie, potom zaskrutkujte záves späť.

9. Omotajte motor gumovou páskou a vložte do puzdra, vložky a utiahnite maticu, skrutku a podložku, aby držal kryt zatvorený, aby bol pevný, ale nie príliš tesný. Ak má váš motor bočnú ventiláciu, dbajte na to, aby ste neblokovali jeho prúdenie vzduchu.

10. Umiestnite kryt motora na základňu. Uistite sa, že pružiny sú na svojom mieste s podložkou na vrchu. Na 3 závitové tyče umiestnite podložku a maticu, ktoré držia motor dole. Medzi kryt motora a podložku na vrchu je možné umiestniť dodatočnú gumovú podložku, aby sa lepšie znížili vibrácie.

11. Utiahnite 3 matice pomocou vodováhy.

Krok 6: Postavte držiak motora - komoru

Na výrobu komory som použil priehľadnú jogurtovú vaničku a hrubú plastovú fóliu.

1. Nožom vyrežte v spodnej časti nádoby tvar, cez ktorý môžete dostať skľučovadlo (pre skľučovadlo, ktoré sa nebude vyberať na čistenie). Odrezal som uhlopriečku cez základňu nádoby, čo umožnilo väčší priestor na manévrovanie nádoby tak, aby sa zmestila na skľučovadlo bez zväčšenia otvoru v strede.

2. Upevnite nádobu na miesto trochou pásky na vonkajšej strane nádoby. Uprednostňujem to pred trvalou montážou pre jednoduchšie čistenie.

3. Na dno nádoby položte papierovú utierku, ktorá absorbuje tekutinu počas odstredivého nanášania, a potom komoru prikryte hliníkovou fóliou. Podľa potreby použite kúsok pásky, aby sa nedotýkala hriadeľa alebo skľučovadla. Tento „obväz“by sa mal pravidelne meniť. Fólia zachytí väčšinu tekutiny a papierová utierka absorbuje väčšinu toho, čo sa dostane mimo fóliu.

Bonus: Potom, čo som na pripevnenie vzoriek použil metódu obojstrannej pásky, vzal som tip od Ossily (Majú nejaké kvalitné laboratórne vybavenie) a rozrezal som starú kreditnú kartu, aby som pre svoje vzorky vyrobil držiak bez vákua/pásky.

Krok 7: Budovanie riadiaceho obvodu

Pri pohľade na obrázky vyššie uvidíte úhľadné schémy zapojenia a implementáciu dosky chleba. Použil som samostatné napájacie zdroje 12V 500mA pre motor a riadiaci obvod, pretože motor je dimenzovaný na 500mA, spravidla je lepšie mať o 20% väčšiu kapacitu vášho napájacieho zdroja. Ak máte napájací zdroj, ktorý môže dodávať dostatočný prúd pre obidva, skvelé.

Namiesto krok za krokom sa pozrime na to, čo jednotlivé sekcie robia.

Obvod riadenia času zapína a vypína odstredivý poťahovač a riadi, v ktorom z 2 stupňov/stavov je obvod PWM a kedy sa má prepnúť.

To sa deje napájaním 2 relé pomocou tranzistorov MOSFET. Relé SPST ovláda zapnutie a vypnutie a relé DPDT ovláda, ktorý z dvoch hrncov nastavuje pracovný cyklus obvodu PWM.

Obvod PWM je jednoducho časovač NE555 v astabilnej prevádzke. Pracovný cyklus je riadený hrncami, kde pomer nastaveného odporu k hodnote hrnca je pracovný cyklus (schematicky pozri „blok voliča rýchlosti“).

Poplatok:

Používajú sa MOSFETY, pretože umožňujú prepínanie zanedbateľného prúdu odoberajúceho energiu cez ich hradlový terminál. To nám umožňuje uložiť náboj do kondenzátorov na napájanie MOSFETOV, ktoré zase poháňajú relé. Na nabíjanie kondenzátorov sa používa momentálne kontaktné tlačidlo. Medzi momentálnym kontaktom a kondenzátormi sa používajú diódy, aby sa zabránilo toku prúdu z jedného kondenzátora do druhého.

Vybíjanie:

Princíp riadenia času dvoch stupňov je vybíjanie kondenzátorov odporom. Tento odpor je nastavený hrncami, čím vyšší je odpor, tým je vybíjanie pomalšie. V ideálnom prípade nasleduje τ = RC, kde τ je perióda alebo čas, R je odpor a C je kapacita.

V použitom časovom obvode sú 2 x 500 000 duálnych potenciometrov, to znamená, že pre každý hrniec sú 2 sady terminálov. Využívame to a zapojujeme druhý hrniec do série sám so sebou a do série s jednou z prvých koncových súprav hrncov. Takto, keď nastavíme odpor v prvom hrnci, pridá ekvivalentný odpor k druhému. Prvý hrniec je obmedzený na 500 K, zatiaľ čo spôsob, akým je druhý zapojený, bude mať odpor až 1 000 K plus hodnotu prvého hrnca. Aby som zahrnul minimálny odpor, ďalej som podľa schémy zapojenia pridal do každého vedenia odpor s pevnou hodnotou.

Krok 8: Kalibrácia a testovanie

Po dokončení odstredivkového nanášacieho zariadenia som pokračoval v testovaní. Na obrázku vyššie uvedených vzoriek je vzorka (hybridný perovskit) vytvorená na drahom odstredivom lakovači vľavo a odstredivom lakovači popísanom v tomto návode vpravo. Tieto odstredivé nanášače boli nastavené na rovnakú rýchlosť.

Rotačný poťahovač je možné kalibrovať buď proti napätiu, alebo proti polohe vašich rýchlych hrncov. Pôvodne som kalibroval pomocou napätia a potom som označil rýchlosti/polohy, ktoré najčastejšie používam na hrncoch.

Pri kalibrácii s napätím si nie som istý, či rôzne multimetre budú čítať signál PWM ako rovnaké napätie, a preto vždy používam ten istý multimetr, s ktorým som kalibroval, ak potrebujem nastaviť rotačnú rotáciu na rýchlosť, ktorá nemá priradenú značenie. Napätie bolo odčítané na výstupe privádzanom do motora. Multimeter nebol pripojený počas merania rýchlosti, aby sa zabránilo možnosti multimetra znížiť prúd dodávaný do motora.

1. V časti o testovaní rýchlosti bol podrobne popísaný postup testu rýchlosti. Tento postup opakujte v rôznych polohách hrncov na reguláciu rýchlosti, skúste zahrnúť rýchlosti, pri ktorých chcete používať odstredivý poťahovač, a minimálne a maximálne rýchlosti. Malo by stačiť asi 5 meraní. Pre každú rýchlosť zaznamenajte polohu a/alebo napätie.

2. Vložte kalibračné rýchlosti a napätia do programu Microsoft Excel a potom nakreslite graf

3. Pridajte k svojim údajom trendovú čiaru. Použite najjednoduchšie prispôsobenie, ktoré vysvetlí trend údajov, v ideálnom prípade lineárny alebo polynóm 2. rádu.

3a. Ak to chcete urobiť v programe Excel, vyberte svoj vykreslený graf a prejdite na kartu rozloženia na páse s možnosťami

3b. Kliknite na ikonu „Trendline“.

3c. Vyberte „viac možností trendovej čiary“

3d. Vyberte svoju možnosť a začiarknite políčko „Zobraziť rovnicu v grafe“a „Zobraziť hodnotu R na druhú v grafe“

Našťastie sa vám to dobre hodí, teraz môžete pomocou rovnice vypočítať otáčky z napätia dodávaného do motora.

Pretože a čitateľ je pravdepodobne vedec …

Technika pipety: Vo videu som použil mikro-pipetu pod uhlom, čo mi pomohlo udržať ruku mimo videa. V ideálnom prípade by mala byť pipeta zvislá a mala by byť čo najbližšie k vzorke/substrátu bez toho, aby ste sa jej dotýkali, pretože ju môžete spoľahlivo opakovať.

Kvalita filmu: Niektorým funkciám uložených tenkých filmov na obrázku sa dá vyhnúť filtráciou prekurzorových roztokov pred použitím (napríklad použitím 33 um PTFE filtra). Svetlejšia farba filmu pozorovaná z „efektného“odstredivého lakovača môže byť dôsledkom rýchlosti nárastu a atmosféry. „Efektný“odstredivý poťahovač bol vyrobený tak, aby fungoval iba s vysokým prietokom inertného plynu, a preto sa filmy splietali v dusíku na „efektnom“odstredivom poťahovacom zariadení a so vzduchom v domácom rotačnom zariadení.

Krok 9: Poďakovanie

Táto krátka časť poskytne kontext toho, kde študujem, a skupiny, ktoré podporujú môj výskum zameraný na hybridnú perovskitovú fotovoltaiku.

• Univerzita Witwatersrand, Južná Afrika
• National Research Foundation (NRF), Južná Afrika
• GCRF-ŠTART. UK
• Gerry (obrábal skľučovadlo na hliníkové rotačné lakovače)