Spin Coater V1 (skoraj analogno): 9 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Ni vsa oprema trajna, sem študent/raziskovalec, ki preučuje tankoslojne materiale za sončno tehnologijo. Ko se nekatera oprema, od katere sem odvisen, imenuje spin coater. To je orodje za izdelavo tankih plasti materiala iz tekoče raztopine ali predhodnika. Te tanke folije lahko vložite v naprave, kot so celice sončne celice ali LED.

Na moji univerzi smo imeli veliko težav s cenovno ugodnejšimi komercialnimi izdelki, ki so na voljo za nekaj tisoč dolarjev. Ti komercialni premazi za centrifugiranje uporabljajo vakuumsko vpenjalno glavo za zadrževanje vzorcev. Težave, na katere so naleteli, so med drugim tudi zaseženi motorji, zamašeni vakuumski vpenjalniki, kadilni kondenzatorji, ki so vplivali na povratne informacije, na katere se je oprl nadzor hitrosti. Ne zavedam se težav, s katerimi se je srečevala vsaka raziskovalna skupina, vendar vem, da je na splošno vsaj ena popravljala ali čakala na popravilo v danem trenutku.

Zasnova, ki jo delim, je preprosta, najprej je namesto vakuumske vpenjalne glave za shranjevanje vzorcev uporabljal dvostranski trak, kasneje je bil ta posodobljen na obliko, ki je lažja za uporabo (glej korak 6). V lahki uporabi deluje že več kot eno leto. Poleg obrabe releja ni bilo nobenih težav (to ni bil nov rele, ko je bil nameščen).

Projekt je večinoma narejen iz najdenih delov, kot je motor s trenutno močjo 1 "leer" (500 mA), betona, gradbenega lesa in nekaterih rešenih elektronskih komponent.

Zaloge

Pričakujem, da bo vsak, ki bo poskušal ta projekt, spremeniti, zato je to neizčrpen seznam tega, kar je potrebno za projekt.

Jedro:

Enosmerni motor z zmogljivostjo najmanj 4000 vrt / min

Vpenjalna glava za izbrani motor (obravnavano kasneje)

Zbornica:

Okrogla plastična kad (uporabil sem kad iz jogurta)

Debela plastika ali alternativa za podnožje kadi

Papirnata brisača

Trak

Nosilec:

odrezan borov 38x228 mm (običajno se uporablja za špirovce pri strehi)

30 mm dolg tečaj

Gumijasta ali trda pena (montaža motorja)

Vijak M6 z ustrezno glavo z izvijačem

Matica M6

6 mm podložka

Podstavek in vzmetenje:

Težka podlaga (uporabil sem betonski blok, narezan na velikost)

Navojna palica M6

9x matice M6 za navojno palico

3x dolge vzmeti s premerom 8 mm

Podložke 12x6 mm

Osnove nadzora:

Projektna škatla (uporabil sem kad za sladoled, to je dober izgovor, da jem sladoled)

12V napajanje (uporabil sem 2, da je motor lahko na ločenem viru)

1x usmerniške diode za motor

2 -stopenjski časovnik:

2x n-kanalni MOSFET (na primer IRF540)

2x 47 uF pokrov aluminij 35V

2x dvojni diapozitiv B500k

200K upor

10K upor

2x usmerniške diode za releje

Trenutni stik z gumbom

Rele SPST (časovnik start/stop)

Rele DPDT (časovnik časovnika 1/prehod 2 hitrosti)

PWM vezje:

1x časovnik NE555

1x 1k upor

2x 10nC kondenzatorji

1x n-kanalni MOSFET (na primer IRF540)

1x hladilnik za MOSFET

1x izolacijska silikonska podložka za hladilnik

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

2x 10k loncev (delovni cikel)

1x usmerniške diode za releje

Testiranje hitrosti motorja:

Idealno:

optični tahometer.

Alternativa:

Trak

Tanka žica, kot trdi predmet (npr. Žica, zobotrebec, sponka za papir)

Računalnik z nameščenim "Audacity"

1. korak: Ali imate primeren motor?

Večina centrifugirnih premazov mora delovati v območju hitrosti od 500 do 6000 vrt / min. Moje delo potrebuje 2000 in 4000 vrtljajev na minuto kot največje uvozne hitrosti, zato bi se lahko zadovoljil z enosmernim motorjem, ki sem ga ležal, ki je deloval v razponu od 1100 do 4500 vrt / min, moj motor lahko deluje počasneje, čeprav so počasnejše hitrosti zaradi manj zanesljive upor v motorju.

Poiščite ustrezen motor in napajalnik, če imate 12 V motor. Ustrezite napetosti, ki jo potrebuje vaš motor, in tok napajanja mora biti v idealnem primeru 20% večji, kot ga zahteva motor. Če imate 24 V motor, boste potrebovali pretvornik za znižanje ali ločeno napajanje, da zagotovite 12 V za elektroniko.

Nato bomo preizkusili najnižje in največje hitrosti, ki jih lahko prenese vaš motor. Če imate napajalnik z izbirno/nastavljivo napetostjo, uporabite to, če ne, sestavite vezje PWM, prikazano v krmilnem vezju (ali celotno krmilno vezje).

Korak: Preskus hitrosti

Optični tahometer je odlično orodje za preizkušanje hitrosti motorja, če se ga dotaknete, tukaj predstavljam alternativno metodo.

Del A

1. Pripravite računalnik za snemanje zvoka z "Audacity", ki je brezplačen urejevalnik zvoka.

2. Ovoj motorja ovijete s trakom (električni ali maskirni trak bo deloval dobro).

3. Motor nastavite na najnižjo hitrost, ki jo lahko upravlja.

4. Začnite snemati zvok.

5. Kot je prikazano v videoposnetku za ta razdelek, za nekaj sekund rahlo v stik s trakom kovinski zatič, žebelj ali sponko za papir.

6. Ustavite snemanje.

7. Ponovite za največjo hitrost.

8. Oglejte si zvok in določite število vrtljajev.

Ko se s trakom dotaknemo s kovinskim zatičem, želimo, da se komaj dotakne. Bolj ko približate zatič gredi motorja, bolj se mora trak upogniti, da ga preide, in bolj upočasnimo ali vzamemo zagon motorja. Če je stik med trakom in kovinskim zatičem preveč svetel, morda na posnetku ne dobimo dovolj glasnosti, da bi nam povedali, kdaj pride do stika. Za izračun RPM iz zvoka v Audacityju (glej sliko na vrhu)

Del B

1. Povečajte zvok, dokler ne vidite razločnih vrhov, kjer stikalo pride v stik.

2. Z levim gumbom miške kliknite vrh in ga držite, premikajte miško tako, da izbrano območje pokriva najmanj 5 vrhov.

3. Preštejte število vrhov.

4. Uporabite časovni prikaz "Začetek in konec razdelka" na dnu okna, da dobite čas, ki je potreben za te vrhove/zasuke.

5. (število vrhov)/(čas v sekundah) = vrtljajev na sekundo

6. RPM = (vrtljajev na sekundo)*60

Preden zgradite ohišje za ta motor, je pomembno, da zagotovite, da bo vaš motor deloval pri hitrostih, ki jih potrebujete. Na koncu bomo ponovili preskus hitrosti za kalibracijo, pri čemer bomo izpustili korak 7 dela A in korak 3 zamenjali s katero koli hitrostjo, ki jo preizkušamo.

3. korak: Vzorec vpenjalne glave

Najpomembnejši del te konstrukcije je vzorec vpenjalne glave. Za aluminijasto vpenjalno glavo ga je moj prijatelj (Gerry) obrnil na stružnico, nato pa je privil nit, ki se prilega mojemu motorju (v mojem primeru cesarski navoj). Pri motorju z navojnim navojem na gredi je vpenjanje vpenjalne glave preprosto privijanje, ko je narejen (člen). To se mi zdi lažje, čeprav obstaja večja verjetnost, da bo prišla vpenjalna glava. Če uporabljate motor z gladko gredjo, ne boste imeli težav z "igranjem" v navoju. Tu je izziv, da bo treba gred nalepiti ali še bolje imeti vijak za pritrditev na gred.

Če imate dostop do stružnice za kovino in je nekdo usposobljen za uporabo, je najbolje, da glavo zavrtite. Če ima vaš motor navoj, tapnite nit po sredini vpenjalne glave. Za motor z gladko gredjo boste morali uporabiti nekaj takega, kot je vijak, da pritisnete ob stran gredi in ga držite na mestu.

Druga možnost, prikazana na zgornjih slikah, je, da vzamete luknjo za žago in izrežete disk s pomočjo vrtalne stiskalnice. Po tem z dotikom dotaknite nit v sredino. Če imate mehak material, ga lahko z nožem odstranite, za trši material pa bi bila primerna pilica. Vrh luknje lahko nato napolnimo z epoksidom ali izrežemo iz kovinske pločevine na površino.

VARNOST: Uporaba lepila/epoksida na vpenjalni glavi ni priporočljiva, saj če lepilo ne uspe … kam gre vpenjalna glava. Vpenjalna glava se bo med uporabo vrtela z veliko hitrostjo, zaradi česar se glava iz tanke kovinske plošče potencialno spremeni v rezalno ploščo. Priporočam uporabo materiala debeline najmanj 5 mm.

4. korak: Zgradite nosilec motorja - podlago in vzmeti

Nosilec motorja mora služiti 2 namenoma, vzdrževati motor na mestu in dušiti vibracije. Nosilec, ki ga izdelate, bo poseben za vaš motor. Opisal vam bom, kaj sem naredil, da bi dobili idejo, kako narediti svoje. Nekateri motorji imajo zračno prezračevanje, zato se zavedajte, kje je to, in naj bo ohlajeno.

Podstavek in vzmeti Poiščite dovolj veliko podlago za projekt. Odkril sem odsek betona primerne debeline in ga z diamantnim kotnim brusilnim listom razrezal na velikost. Betonski tlakovci ali debela kovinska plošča bi morali delovati enako dobro. Če lahko, poskusite najti nekaj, česar ni treba odrezati.

Kamni v betonu otežujejo vrtanje in včasih pomenijo, da bodo luknje odnesle na stran. Zato sem v podnožju za navojno palico izvrtal luknje, preden sem označil luknje na ohišju motorja (če imate bolj primeren material, vrstni red ne bo pomemben).

1. Izvrtajte luknje za navojno palico z zidanim svedrom premera navojne palice.

2. Z veliko večjim zidanim svedrom potopite konec navojne palice, podložko in matico, ki bo pod podnožjem.

3. Označite luknje na lesenem ohišju motorja za navojno palico ali na kos papirja, ki ga boste kasneje uporabili kot predlogo.

4. Prerežite navojno palico po dolžini, rezite rob in preverite, ali je navoj še vedno dober. Pred rezanjem položite matico na palico. Ko to odstranite, lahko popravite/poravnate nit, če potem ni preveč poškodovana.

5. Postavite palice skozi beton, ki jim sledi podložka in matica na vsaki strani.

6a. Če vam je uspelo najti vzmeti dovolj dolge in trde, da podpirajo motor in ohišje, jih lahko postavite, čemur sledi debela podložka. Potrebna je debela podložka, saj se lahko tanka podložka ujame v navoj. Podložke lahko naredite sami, tako da izvrtate luknjo skozi ustrezen kos kovine in luknjo zaključite s pilo.

6b. Če raje ne uporabljate vzmeti, lahko namesto njih uporabite matico in podložko, je pomanjkljivost ta, da to ne bo zmanjšalo vibracij motorja.

5. korak: Zgradite nosilec motorja - ohišje motorja

Ohišje motorja je bilo narejeno kot objemka, koščki bora so bili tečaji skupaj z vdolbino na sredini in matico in vijakom za trdno pritrditev. Les, uporabljen za moje stanovanje, je bil odrezan s špirovca s prerezom 38x228 mm.

1. Ugotovite velikost lesa, ki ga potrebujete za vaš motor, in ga označite kot na (a) zgornje fotografije.

2. Označite luknjo, ki ni manjša od premera vašega motorja, potrebujemo malo prostora za gumijasti trak, ki bo med motorjem in ohišjem. Sestava odpušča velikost luknje zaradi vpenjanja (tečaj in vijak).

3. Izvrtajte pilotno luknjo in jo z žago za luknje izvrtajte. Žago za luknje, ki sem jo uporabil, je rezalo le približno 22 mm globoko, zato sem izvrtal na polovici vsake strani.

4. Označite in izvrtajte luknje za navojno palico, ki bo podpirala ohišje motorja. Ti naj bodo vsaj 1 mm debelejši od navojne palice, da se omogoči prosto gibanje.

5. Privijte tečaj v skladu s (b) na zgornji fotografiji in ga odstranite. To je za izdelavo lukenj.

6. Izrežite obliko kot v (b) zgornje fotografije, uporabil sem žago.

7. Oblika nam omogoča, da imamo vijak nasproti tečaja. Izvrtajte luknjo za vijak, kot je prikazano v (c) zgornje fotografije. Luknja mora biti približno 2 mm večja od vijaka, da se olajša odpiranje in zapiranje sklopa.

8. Odrežite kos po dolžini, kot je prikazano v (d) zgornje fotografije, nato pa privijte tečaj nazaj.

9. Zavijte motor z gumijastim trakom in ga vstavite v ohišje, vložek in privijte matico, vijak in podložko, da ohišje ostane zaprto, naj bo to trdno, vendar ne pretirano. Če ima vaš motor stransko prezračevanje, pazite, da ne blokirate njegovega pretoka zraka.

10. Ohišje motorja postavite na podlago. Prepričajte se, da so vzmeti nameščene s podložko na vrhu. Na 3 navojne palice postavite podložko in matico, da držite motor. Za boljše zmanjšanje tresljajev lahko med ohišje motorja in podložko na vrhu namestite dodatno gumijasto blazinico.

11. Z vodno tehtnico za vodenje privijte 3 matice.

Korak 6: Zgradite nosilec motorja - komoro

Za izdelavo komore sem uporabil prozorno kad za jogurt in debelo plastično folijo.

1. Z nožem izrežite obliko na dnu posode, skozi katero lahko vstavite vpenjalno glavo (za vpenjalno glavo, ki je ne boste odstranili za čiščenje). Prerezal sem diagonalo po dnu posode, kar je omogočilo več prostora za manevriranje, da se posoda prilega vpenjalni glavi, ne da bi povečala luknjo na sredini.

2. Posodo pritrdite z majhnim trakom na zunanji strani posode. Za lažje čiščenje imam to raje kot trajno montažo.

3. Na dno posode položite papirnato brisačo, da absorbira tekočino med centrifugiranjem, nato pokrijte komoro z aluminijasto folijo. Po potrebi uporabite malo traku, da se to ne dotakne gredi ali vpenjalne glave. To "obleko" je treba občasno menjati. Folija ujame večino tekočine, papirnata brisača pa absorbira večino tistega, kar pride mimo folije.

Bonus: Po uporabi dvostranskega traku za pritrjevanje vzorcev sem od Ossile vzel namig (Imajo kakovostno laboratorijsko opremo) in izrezal staro kreditno kartico, da sem za svoje vzorce naredil držalo brez vakuuma/brez traku.

7. korak: Zgradite krmilno vezje

Če pogledate zgornje slike, boste videli čedne diagrame in izvedbo plošče za kruh. Za motor in krmilno vezje sem uporabil ločene 12V 500mA napajalnike, saj je motor ocenjen na 500mA, zato je praviloma bolje, da imate 20% dodatne zmogljivosti na vašem napajalniku. Če imate napajalnik, ki lahko dobavi zadosten tok za oba, odlično.

Namesto po korakih poglejmo, kaj počne vsak odsek.

Časovno krmilno vezje vklopi in izklopi centrifugiranje ter nadzoruje, v kateri od dveh stopenj/stanj je vezje PWM in kdaj naj se preklopi.

To se naredi z napajanjem 2 relejev preko tranzistorjev MOSFET. Vklop in izklop releja SPST in rele DPDT nadzorujeta, kateri od dveh loncev nastavita obratovalni cikel vezja PWM.

PWM vezje je preprosto časovnik NE555 v stabilnem delovanju. Delovni cikel v nadzorovanih loncih, kjer je razmerje nastavljenega upora proti vrednosti lonca obratovalni cikel (glejte "blok za izbiro hitrosti" v shemi).

Napolniti:

MOSFET -i se uporabljajo, saj omogočajo preklapljanje zanemarljivega toka energije skozi svoj priključek. To nam omogoča shranjevanje naboja v kondenzatorjih za napajanje MOSFET -ov, ki nato poganjajo releje. Za polnjenje kondenzatorjev se uporablja trenutni kontaktni gumb. Diode se uporabljajo med trenutnim kontaktom in kondenzatorji, da preprečijo pretok toka iz enega kondenzatorja v drugega.

Praznjenje:

Načelo za nadzor časa dveh stopenj je praznjenje kondenzatorjev skozi upor. Ta upor določajo lonci, večji kot je upor, počasnejši je izpust. V idealnem primeru sledi τ = RC, kjer je τ obdobje ali čas, R upor in C kapacitivnost.

V uporabljenem časovnem krogu sta 2 x 500K dvojna lonca, kar pomeni, da za vsak lonec obstajata 2 kompleta priključkov. To izkoristimo tako, da povežemo drugi lonec zaporedno s samim seboj in zaporedno z enim od prvih terminalskih sklopov loncev. Na ta način, ko nastavimo upor na prvi pot, bo drugemu dodal enakovreden upor. Prvi lonec je omejen na 500K, medtem ko bo drugi način ožičenja imel upor do 1000K plus vrednost prvega lonca. Za vključitev najmanjšega upora sem vsaki liniji dodal upor s fiksno vrednostjo v skladu s shemo vezja.

8. korak: Umerjanje in testiranje

Po končanem centrifugiranju sem ga začel testirati. Na zgornji sliki vzorcev je vzorec (hibridno-perovskit), izdelan na dragem predilnem premazu na levi, in spinski premaz, opisan v tem navodilu na desni. Ti centrifugalni premazi so bili nastavljeni na enako hitrost.

Spin coater je mogoče umeriti glede na napetost ali glede na položaj vaših loncev za hitrost. Najprej sem kalibriral z napetostjo, nato pa označil hitrosti/položaje, ki jih najpogosteje uporabljam na lončkih.

Pri kalibraciji z napetostjo nisem prepričan, ali bodo različni multimetri prebrali signal PWM kot isto napetost, zato vedno uporabljam isti multimeter, s katerim sem umeril, če moram nastaviti centrifugiranje na hitrost, ki nima povezane označevanje. Napetost je bila odčitana na izhodu, ki se napaja v motor. Multimeter med merjenjem hitrosti ni bil priključen, da bi se izognili možnosti, da bi multimeter zmanjšal tok, ki se napaja v motor.

1. V razdelku o preskušanju hitrosti je bil podrobno opisan postopek preskusa hitrosti. Ta postopek ponovite na različnih položajih v lončkih za nadzor hitrosti, poskusite vključiti hitrosti, pri katerih nameravate uporabiti stroj za centrifugiranje, ter najmanjšo in največjo hitrost. Približno 5 meritev bi moralo biti dovolj. Za vsako hitrost zabeležite položaj in/ali napetost.

2. Hitrosti in napetosti umerjanja vnesite v Microsoft Excel, nato narišite graf

3. Podatkom dodajte linijo trenda. Uporabite najpreprostejšo prilagoditev, ki bo razložila trend podatkov, v idealnem primeru linearni ali polinom drugega reda.

3a. Če želite to narediti v Excelu, izberite narisan graf, pojdite na zavihek postavitev na traku z možnostmi

3b. Kliknite ikono "Trendline".

3c. Izberite "več možnosti trenda"

3d. Izberite svojo možnost in označite "Prikaži enačbo na grafikonu" in "Prikaži vrednost R-kvadrat na grafikonu"

Upajmo, da se dobro prilegate, zdaj lahko z enačbo izračunate število vrtljajev na minuto glede na napetost, ki je na motorju.

Ker je bralec verjetno znanstvenik …

Tehnika pipete: V videoposnetku sem mikropipeto uporabil pod kotom, kar mi je pomagalo, da sem držala roko stran od videa. V idealnem primeru mora biti pipeta navpična in čim bližje vzorcu/substratu, ne da bi se je dotaknila, kot lahko zanesljivo ponovite.

Kakovost filma: nekaterim značilnostim nanesenih tankih filmov na sliki se lahko izognete s filtriranjem raztopin predhodnikov pred uporabo (na primer s filtrom PTFE velikosti 33 um). Svetlejša barva filma, ki jo opazimo pri "fancy" spin coaterju, je lahko posledica hitrosti in atmosfere. "Fancy" spin premaz je bil izdelan tako, da deluje le z visokim pretokom inertnega plina, saj so bili tako filmi spino obloženi v dušiku na "fancy" spin spinterju in zraku v spin -premazu DIY.

9. korak: Priznanja

Ta kratek odsek podaja kontekst, kje študiram, in skupine, ki podpirajo mojo raziskavo, ki je osredotočena na hibridno-perovskitne fotovoltaike.

• Univerza v Witwatersrandu, Južna Afrika
• Nacionalna raziskovalna fundacija (NRF), Južna Afrika
• GCRF-START. UK
• Gerry (ki je obdelal vpenjalno glavo iz aluminija)