Spin Coater V1 (skoro analogni): 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Nije sva oprema napravljena da traje, ja sam student/istraživač koji proučava materijale tankih filmova za solarnu tehnologiju. Jednom od opreme na kojoj zavisim zove se spin coater. Ovo je alat koji se koristi za izradu tankih filmova materijala od tekuće otopine ili prekursora. Ovi tanki filmovi mogu se naslagati u uređaje poput ćelija solarnih panela ili LED dioda.

Na mom univerzitetu imali smo mnogo problema sa pristupačnijim komercijalnim proizvodima koji su dostupni za ekvivalent od nekoliko hiljada dolara. Ovi komercijalni grijači za centrifugiranje koriste vakuumsku steznu glavu za držanje uzoraka, a problemi na koje su naišli uključivali su zaplijenjene motore, začepljene vakuumske stezne glave, kondenzatore za pušenje, među ostalim koji su utjecali na povratne informacije na koje se oslanjala kontrola brzine. Nisam upoznat sa problemima koje je svaka istraživačka grupa imala sa njima, ali znam da je generalno barem jedan bio popravljen ili čeka da bude popravljen u bilo kom trenutku.

Dizajn koji dijelim je jednostavan, u početku se koristila dvostrana traka umjesto vakuumske stezne glave za držanje uzoraka, kasnije je to ažurirano na dizajn koji je lakši za upotrebu (vidi korak 6). Bio je u funkciji više od godinu dana pri laganoj upotrebi. Nije bilo nikakvih problema osim trošenja releja (ovo nije bio novi relej kada je instaliran).

Projekt se uglavnom sastoji od pronađenih dijelova poput motora sa trenutnom vrijednošću 1 "leer" (500 mA), betona, građevinskog drveta i nekih spašenih elektroničkih komponenti.

Supplies

Očekujem da će svi koji pokušaju ovaj projekt napraviti varijacije pa ovo nije iscrpna lista onoga što je potrebno za projekt.

Jezgra:

Motor istosmjerne struje sposoban za najmanje 4000 o / min

Stezna glava za odabrani motor (o čemu će biti riječi kasnije)

Komora:

Okrugla plastična kada (koristila sam kadu s jogurtom)

Debela plastika ili alternativa za oblaganje dna kade

Papirni ubrus

Tape

Nosač:

odrezano od bora 38x228 mm (obično se koristi za rogove u krovovima)

Šarke dugačke 30 mm

Guma ili tvrda pjena (montaža motora)

Vijak M6 sa odgovarajućom glavom s odvijačem

M6 matica

Podloška od 6 mm

Baza i ovjes:

Teška podloga (koristio sam betonski blok izrezan po veličini)

M6 Navojna šipka

9x M6 matica za navojnu šipku

3x duge opruge promjera 8 mm

Podloške 12x6 mm

Osnove kontrole:

Okvir projekta (koristio sam kadu sa sladoledom, ovo je dobar izgovor da jedete sladoled)

Napajanje od 12V (koristio sam 2 kako bi motor mogao biti na zasebnom izvoru)

1x ispravljačke diode za motor

2 -stepeni tajmer:

2x n-kanalni MOSFET (poput IRF540)

2x 47 uF kapa aluminij 35V

2x dvostruki tobogan B500k

200K otpornik

10K otpornik

2x ispravljačke diode za releje

Trenutni kontakt na dugme

Relej SPST (timer start/stop)

Relej DPDT (brzina brojača vremena 1/prijelaz brzine 2)

PWM kolo:

1x NE555 mjerač vremena

1x 1k otpornik

2x 10nC kondenzatora

1x n-kanalni MOSFET (poput IRF540)

1x hladnjak za MOSFET

1x izolaciona silikonska podloška za hladnjak

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

2x 10k lonaca (radni ciklus)

1x ispravljačke diode za releje

Testiranje brzine motora:

Idealno:

optički tahometar.

Alternativa:

Tape

Tanka žica poput tvrdog predmeta (npr. Žica, čačkalica, spajalica)

Računar sa instaliranim "Audacity"

Korak 1: Imate li odgovarajući motor?

Većina centrifugirajućih premaza mora raditi u rasponu brzina od 500 do 6000 o / min. Moj rad treba 2000 i 4000 okretaja u minuti kao najveće uvozne brzine, pa bih se mogao snaći s istosmjernim motorom koji sam ležao i koji je radio u rasponu od 1100 do 4500 o / min, moj motor može raditi sporije, iako su sporije brzine manje pouzdane zbog otpor u motoru.

Pronađite odgovarajući motor i izvor napajanja ako imate motor od 12 V. Podesite napon potreban za vaš motor, a struja izvora napajanja idealno bi trebala biti 20% veća od potrebne za motor. Ako imate motor od 24 V, trebat će vam stepenasti pretvarač ili odvojeno napajanje za napajanje 12 V elektronike.

Zatim ćemo htjeti testirati minimalne i maksimalne brzine koje vaš motor može podnijeti. Ako imate napajanje s odabranim/podesivim naponom, upotrijebite to, ako ne izgradite PWM kolo prikazano u upravljačkom krugu dalje (ili cijeli upravljački krug).

Korak 2: Test brzine

Optički tahometar odličan je alat za testiranje brzine motora ako ga možete dohvatiti, ovdje predstavljam alternativnu metodu.

Dio A

1. Pripremite računar za snimanje zvuka sa "Audacity" koji je besplatni audio uređivač.

2. Omotajte traku oko vratila vašeg motora (električna ili maskirna traka će dobro funkcionirati).

3. Postavite motor na najmanju brzinu koju može upravljati.

4. Počnite sa snimanjem zvuka.

5. Prema videu za ovaj odjeljak, dovedite metalnu iglu, ekser ili spajalicu lagano u dodir sa trakom na nekoliko sekundi.

6. Zaustavite snimanje.

7. Ponovite za najveću brzinu.

8. Pogledajte zvuk i izračunajte broj okretaja u minuti.

Kada traku dodirnemo metalnom iglom, želimo da se jedva dodiruje. Što bliže približavate iglu osovini motora, traka se mora više savijati da bi je prošla i više usporavamo ili uzimamo zamah motora. Ako je kontakt između trake i metalne iglice presvijetli, možda nećemo dobiti dovoljno jačine zvuka na snimku da nam kaže kada je kontakt uspostavljen. Za izračun RPM -a iz zvuka u Audacityju (pogledajte sliku pri vrhu)

Dio B

1. Zumirajte zvuk sve dok ne vidite jasne vrhove na kojima igla stupa u kontakt.

2. Pritisnite lijevu tipku miša na vrh i zadržite pomicanjem miša tako da odabrano područje pokriva najmanje 5 vrhova.

3. Izbrojite broj vrhova.

4. Upotrijebite prikaz vremena "Početak i kraj odjeljka" pri dnu prozora kako biste dobili vrijeme potrebno za postizanje tih vrhova/rotacija.

5. (broj vrhova)/(vrijeme u sekundama) = okretaji u sekundi

6. RPM = (okretaja u sekundi)*60

Prije izgradnje kućišta za taj motor važno je osigurati da vaš motor radi brzinama koje su vam potrebne. Ponovit ćemo test brzine na kraju za kalibraciju, izostavljajući korak 7 dijela A i zamjenjujući korak 3 bilo kojom brzinom koju testiramo.

Korak 3: Uzorak Chucka

Najvažniji dio ove konstrukcije je stezna glava. Za aluminijsku steznu glavu, moj prijatelj (Gerry) okrenuo ju je na tokarskom stroju, a zatim je provučen konac koji se uklapa u moj specifični motor (imperijalni navoj u mom slučaju). Za motor s navojnim navojem na vratilu, montaža stezne glave jednostavno se uvrće nakon što je napravljena (karika). Smatram da je ovo lakše, iako je veća vjerojatnost da će doći do precesije na steznoj glavi. Ako koristite motor s glatkim vratilom, nećete imati problema s "sviranjem" u navoju. Izazov ovdje je da će vratilo morati biti zalijepljeno ili još bolje imati vijak za pričvršćivanje na vratilo.

Ako imate pristup strugu za obradu metala i ako je netko vješt u tome, najbolje je okrenuti steznu glavu. Ako vaš motor ima navoj, kucnite navojem po sredini stezne glave. Za motor s glatkom osovinom morat ćete upotrijebiti nešto poput zavrtnja za pritiskanje da pritisnete bočnu stranu vratila i držite ga na mjestu.

Alternativa prikazana na gornjim slikama je uzeti testeru za rupe i izrezati disk pomoću bušilice. Nakon toga dodirnite dodirnite nit u središte. Ako imate mekani materijal, možete ga ukloniti nožem, za tvrđi materijal bila bi prikladna turpija. Vrh rupe tada se može napuniti epoksidom ili izrezati iz metalnog lima epoksidom na površinu.

SIGURNOST: Korištenje ljepila/epoksida na steznoj glavi se ne preporučuje jer ako ljepilo ne uspije … kamo ide stezna glava. Stezna glava će se tijekom upotrebe vrtjeti velikom brzinom, pa će se glava od tanke metalne ploče potencijalno pretvoriti u reznu ploču. Preporučujem korištenje materijala debljine najmanje 5 mm.

Korak 4: Izgradite nosač motora - postolje i opruge

Nosač motora trebao bi služiti u 2 svrhe, držati motor na mjestu i prigušiti vibracije. Nosač koji napravite bit će specifičan za vaš motor. Opisaću vam ono što sam učinio da vam dam ideju o tome kako da napravite svoje. Neki motori imaju ventilaciju sa strane, pa budite svjesni gdje se to nalazi i neka budu hladni.

Baza i opruge Pronađite dovoljno veliku podlogu za projekt. Pronašao sam dio betona odgovarajuće debljine i izrezao ga na veličinu pomoću dijamantske kutne oštrice. Betonski finišeri ili debela metalna ploča trebali bi raditi jednako dobro. Ako možete, pokušajte pronaći nešto što ne treba rezati.

Kamenje u betonu otežava bušenje i ponekad znači da će se rupe pomaknuti u stranu. Tako sam izbušio rupe u podnožju za navojnu šipku prije nego što sam označio rupe na kućištu motora (ako imate prikladniji materijal, redoslijed neće biti važan).

1. Izbušite rupe za navojnu šipku zidanom burgijom promjera navojne šipke.

2. Upotrijebite mnogo veću burgiju za zidanje kako biste umanjili kraj šipke s navojem, podlošku i maticu koja će se nalaziti ispod podnožja.

3. Označite rupe na drvenom kućištu motora za navojnu šipku ili na komadu papira koji ćete kasnije koristiti kao predložak.

4. Isecite šipku sa navojem na dužinu, turpijom odrežite ivicu i proverite da li je konac još uvek dobar. Postavljanje matice na šipku prije rezanja. Kada se ovo ukloni, može popraviti/poravnati nit, ako nakon toga nije previše oštećena.

5. Postavite šipke kroz beton, a zatim sa svake strane podlošku i maticu.

6a. Ako ste uspjeli pronaći opruge dovoljno dugačke i krute da podupiru motor i kućište, možete ih postaviti, a zatim ih postaviti debela podloška. Potrebna je debela podloška jer se tanka podloška može zaglaviti u navoju. Podloške možete napraviti sami tako da izbušite rupu kroz odgovarajući komad metala i završite rupu turpijom.

6b. Ako ne želite koristiti opruge, umjesto njih možete koristiti maticu i podlošku, nedostatak je to što neće poslužiti za umanjivanje vibracija motora.

Korak 5: Izgradite nosač motora - kućište motora

Kućište motora napravljeno je poput stezaljke, komadi bora su bili spojeni zajedno sa šupljinom u sredini i maticom i vijkom za čvrsto pričvršćivanje. Drvo koje se koristilo za moje stanovanje bilo je izrezano sa splavi presjeka 38x228 mm.

1. Odredite veličinu drva koja vam je potrebna za vaš motor i označite ga kao na (a) gornjoj fotografiji.

2. Označite rupu koja nije manja od promjera vašeg motora, potrebno nam je malo prostora za gumenu traku koja će biti između motora i kućišta. Sastav oprašta veličinu rupe zbog pričvršćivanja poput stezaljke (šarke i vijka).

3. Izbušite probnu rupu, a zatim izbušite rupu pomoću pile za rupe. Pila za rupe koju sam koristio koristi samo rezove duboke oko 22 mm pa sam bušila na pola puta sa svake strane.

4. Označite i izbušite rupe za navojnu šipku koja će podupirati kućište motora. Oni bi trebali biti najmanje 1 mm deblji od navojne šipke kako bi se omogućilo slobodno kretanje.

5. Uvrnite šarku prema (b) na gornjoj fotografiji, a zatim je uklonite. Ovo je za stvaranje rupa.

6. Izrežite oblik kao u (b) gornje fotografije, koristio sam testeru.

7. Oblik nam omogućuje da imamo vijak nasuprot šarki. Izbušite rupu za vijak kao što je prikazano u (c) gornje fotografije. Rupa bi trebala biti oko 2 mm veća od vijka kako bi se omogućilo lako otvaranje i zatvaranje sklopa.

8. Izrežite komad po dužini kao u (d) gornje fotografije, a zatim ponovo uvijte šarke.

9. Zamotajte motor gumenom trakom i stavite u kućište, umetak i pritegnite maticu, vijak i podlošku kako biste držali kućište zatvoreno, učinite ovo čvrstim, ali ne pretjerano zategnutim. Ako vaš motor ima ventilaciju sa strane, pazite da ne blokirate njegov protok zraka.

10. Postavite kućište motora na podnožje. Uverite se da su opruge postavljene sa podloškom na vrhu. Postavite podlošku i maticu na 3 šipke s navojem kako biste držali motor. Dodatna gumena podloga može se postaviti između kućišta motora i podloške na vrhu radi boljeg smanjenja vibracija.

11. Pritegnite 3 matice pomoću libele za vođenje.

Korak 6: Izgradite nosač motora - komoru

Za izradu komore koristila sam prozirnu kadu od jogurta i debelu plastičnu foliju.

1. Nožem izrežite oblik na dnu spremnika kroz koji možete provući steznu glavu (za steznu glavu koja se neće ukloniti radi čišćenja). Prerezao sam dijagonalu po dnu kontejnera dopuštajući više prostora za manevriranje spremnikom da stane preko stezne glave bez povećanja rupe u sredini.

2. Popravite posudu na mjesto s malo trake s vanjske strane posude. Ovo mi je draže od trajne montaže radi lakšeg čišćenja.

3. Stavite papirnati ubrus na dno posude da upije tečnost tokom centrifugiranja, a zatim pokrijte komoru aluminijumskom folijom. Po potrebi upotrijebite malo trake da ovo ne dotakne osovinu ili steznu glavu. Ovo "odijevanje" treba povremeno mijenjati. Folija hvata većinu tekućine, a papirnati ubrus upija većinu onoga što prođe pored folije.

Bonus: Nakon što sam za pričvršćivanje uzoraka upotrijebio metodu dvostrane trake, uzeo sam savjet od Ossile (Imaju kvalitetnu laboratorijsku opremu) i izrezao staru kreditnu karticu kako bih napravio uzorke bez vakuuma/bez trake.

Korak 7: Izgradnja upravljačkog kruga

Gledajući gornje slike vidjet ćete uredne dijagrame i implementaciju ploče. Koristio sam zasebna 12V 500mA napajanja za motor i upravljački krug jer je motor ocijenjen za 500mA, po pravilu je bolje imati 20% dodatnog kapaciteta na vašem napajanju. Ako imate napajanje koje može isporučiti dovoljnu struju za oboje, odlično.

Umjesto korak po korak kako to učiniti, pogledajmo šta svaki odjeljak radi.

Krug za kontrolu vremena uključuje i isključuje centrifugu, i kontrolira u koje od 2 stupnja/stanja je uključeno PWM kolo i kada se uključuje.

To se postiže napajanjem 2 releja preko MOSFET tranzistora. SPST relej uključuje i isključuje relej, a DPDT relej kontrolira koji od dva priključka postavlja radni ciklus PWM kruga.

PWM kolo je jednostavno NE555 mjerač vremena u stabilnom radu. Radni ciklus u kontroliranim loncima, gdje je odnos postavljenog otpora prema vrijednosti lonca radni ciklus (pogledajte "blok za odabir brzine" na shemi).

Naplata:

MOSFET -ovi se koriste jer omogućuju uključivanje zanemarive struje preko izlaznog terminala. To nam omogućuje skladištenje naboja u kondenzatorima za napajanje MOSFET -ova koji zauzvrat pokreću releje. Tipka za kratki kontakt koristi se za punjenje kondenzatora. Diode se koriste između trenutnog kontakta i kondenzatora kako bi se spriječio protok struje iz jednog kondenzatora u drugi.

Pražnjenje:

Princip upravljanja vremenom 2 faze je pražnjenje kondenzatora kroz otpor. Ovaj otpor postavljaju lonci, što je veći otpor, sporije je pražnjenje. Ovo idealno slijedi τ = RC, gdje je τ period ili vrijeme, R je otpor, a C kapacitet.

U korištenom vremenskom krugu postoje 2 x 500K dvostrukih lonaca, što znači da za svaki lonac postoje 2 seta terminala. Ovo iskorištavamo povezivanjem drugog lonca u seriji sa samim sobom i u seriji s jednim od prvih terminala za lonce. Na ovaj način, kada postavimo otpor na prvi pot, on će dodati ekvivalentni otpor drugom. Prvi lonac je ograničen na 500K, dok će način povezivanja drugog imati otpor do 1000K plus vrijednost prvog lonca. Da bih uključio minimalni otpor, dodatno sam dodao otpornik fiksne vrijednosti svakoj liniji prema shemi kola.

Korak 8: Kalibracija i testiranje

Nakon završetka centrifugiranja, nastavio sam s testiranjem. Gornja slika uzoraka ima uzorak (hibrid-perovskit) napravljen na skupocjenom premazu za lijevanje s lijeve strane i spin premaz opisan u ovom Uputstvu s desne strane. Ovi centrifugalni premazi su podešeni na istu brzinu.

Uređaj za centrifugiranje može se kalibrirati ili prema naponu ili prema položaju vaših lonaca za brzinu. U početku sam kalibrirao pomoću napona, nakon čega je slijedilo označavanje brzina/položaja koje najčešće koristim na loncima.

Prilikom kalibracije s naponom nisam siguran hoće li različiti multimetri čitati PWM signal kao isti napon, zbog toga uvijek koristim isti multimetar s kojim sam kalibrirao ako moram postaviti uređaj za centrifugiranje na brzinu koja nema pridružene označavanje. Napon je očitan na izlazu koji se dovodi do motora. Multimetar nije bio povezan dok se mjerila brzina kako bi se izbjegla mogućnost da multimetar smanji struju koja se dovodi do motora.

1. U odjeljku o ispitivanju brzine detaljno je opisan postupak provjere brzine. Ponovite ovaj postupak na različitim položajima u posudama za kontrolu brzine, pokušajte uključiti brzine na kojima namjeravate koristiti centrifugu i minimalne i maksimalne brzine. Oko 5 mjerenja bi trebalo biti dovoljno. Za svaku brzinu zabilježite položaj i/ili napon.

2. Brzine i napone kalibracije stavite u Microsoft Excel, a zatim iscrtajte grafikon

3. Dodajte liniju trenda svojim podacima. Koristite najjednostavnije uklapanje koje će objasniti trend podataka, idealno linearni ili polinom drugog reda.

3a. Da biste to učinili u Excelu, odaberite iscrtani grafikon, idite na karticu izgleda na vrpci s opcijama

3b. Kliknite na ikonu "Trendline".

3c. Odaberite "više opcija trendovske linije"

3d. Odaberite svoju opciju i označite "Prikaži jednadžbu na grafikonu" i "Prikaži vrijednost R-kvadrata na grafikonu"

Nadajmo se da se dobro uklapate, sada možete upotrijebiti jednadžbu za izračunavanje broja okretaja iz napona koji se dovodi na motor.

Budući da je čitalac vjerovatno naučnik …

Tehnika pipete: U videu sam koristio mikropipetu pod kutom, to mi je pomoglo da držim ruku dalje od videa. U idealnom slučaju, pipeta bi trebala biti okomita i što bliže uzorku/podlozi bez dodirivanja koliko možete pouzdano ponoviti.

Kvalitet filma: Neke od karakteristika taloženih tankih filmova na slici mogu se izbjeći filtriranjem otopina prekursora prije upotrebe (kao što je upotreba 33 um PTFE filtera). Svjetlija boja filma vidljiva iz "fensi" premaza za predenje može biti posljedica brzine i atmosfere. "Fancy" spin premaz je proizveden da radi samo s velikim protokom inertnog plina jer su takvi filmovi centrifugirani premazom dušika na "fancy" spin premazu i zraku u DIY spin coateru.

Korak 9: Priznanja

Ovaj kratki odjeljak daje kontekst o tome gdje studiram i grupama koje podržavaju moje istraživanje koje se fokusira na hibridno-perovskitne fotonapone.

• Univerzitet u Witwatersrandu, Južna Afrika
• Nacionalna istraživačka fondacija (NRF), Južna Afrika
• GCRF-START. UK
• Gerry (koji je mašinski obrađivao aluminijumsku steznu glavu)