Spin Coater V1 (gairebé analògic): 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

No tots els equips estan fets per durar, sóc estudiant / investigador que estudia materials de pel·lícules primes per a tecnologia solar. Una de les peces d’equip de què depenc s’anomena spin coater. Aquesta és una eina que s’utilitza per fabricar pel·lícules fines d’un material a partir d’una solució líquida o precursor. Aquestes pel·lícules primes es poden capar en dispositius com ara cèl·lules de panells solars o LED.

A la meva universitat hem tingut molts problemes amb els productes comercials més assequibles que estan disponibles per l’equivalent a uns quants milers de dòlars. Aquests fabricants de màquines comercials fan servir un mandril de buit per mantenir mostres i els problemes que van trobar van incloure motors agafats, mandrins de buit obstruïts, condensadors de fumar, entre d’altres, que van afectar la retroalimentació en què es basava el control de velocitat. No sóc conscient dels problemes que cada grup de recerca ha tingut amb ells, però sé que en general hi ha hagut almenys un que es repara o espera que es repari en un moment donat.

El disseny que comparteixo és senzill, inicialment feia servir cinta de doble cara en lloc d’un portaboca per contenir mostres, posteriorment es va actualitzar a un disseny més fàcil d’utilitzar (vegeu el pas 6). Fa més d’un any que funciona en ús lleuger. No hi ha hagut cap problema a part d’un desgast del relé (aquest no era un relé nou quan s’instal·lava).

El projecte es fa principalment a partir de peces trobades com un motor amb una potència actual de 1 "leer" (500 mA), formigó, fusta de construcció i alguns components electrònics recuperats.

Subministraments

Espero que qualsevol persona que provi aquest projecte faci variacions, de manera que aquesta és una llista no exhaustiva del que es necessita per al projecte.

Nucli:

Motor de corrent continu capaç de no menys de 4000 rpm

Chuck fabricat per al motor triat (discutit més endavant)

Cambra:

Banyera rodona de plàstic (he utilitzat una banyera de iogurt)

Plàstic gruixut o alternativa per folrar la part inferior de la banyera

Tovallola de paper

Cinta

Muntatge:

tallat de pi de 38x228 mm (normalment s'utilitza per a bigues en sostres)

Frontissa de 30 mm de llarg

Goma o escuma dura (muntatge del motor)

Pern M6 amb cap adequat per a tornavís

Femella M6

Rentadora de 6 mm

Base i suspensió:

Base pesada (he utilitzat un bloc de formigó tallat a mida)

Barra roscada M6

9x femelles M6 per a la barra roscada

3 molls llargs de 8 mm de diàmetre

Rentadores de 12x 6 mm

Fonaments bàsics dels controls:

Caixa del projecte (he utilitzat una tina de gelat, aquesta és una bona excusa per menjar gelats)

Font d'alimentació de 12V (n'he fet servir 2 perquè el motor pogués estar en una font diferent)

1x díodes rectificadors per al motor

Temporitzador de 2 etapes:

MOSFET de 2 canals en n (com ara IRF540)

2x 47 uF tap d'alumini 35V

2x portaobjectes B500k dual

Resistència de 200K

Resistència de 10K

2x díodes rectificadors per als relés

Botó de contacte momentani

Relé SPST (arrencada / parada del temporitzador)

Relé DPDT (velocitat temporitzadora 1 / velocitat 2 de transició)

Circuit PWM:

1x temporitzador NE555

1x 1k resistència

Condensadors de 2x 10nC

1 MOSFET de canal n (com ara IRF540)

1x dissipador de calor per MOSFET

1 rentadora de silici aïllant per al dissipador de calor

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

2x testos de 10 k (cicle de treball)

1x díodes rectificadors per als relés

Proves de velocitat del motor:

Ideal:

tacòmetre òptic.

Alternativa:

Cinta

Fil prim com un objecte dur (per exemple, filferro, escuradents, clip)

Ordinador amb "Audacity" instal·lat

Pas 1: teniu un motor adequat?

La majoria de filadors necessiten treballar en un rang de velocitat de 500 a 6.000 rpm. El meu treball necessita 2000 i 4000 rpm com a velocitat d’importació més gran, de manera que em podia conformar amb un motor de corrent continu que funcionava entre 1100 i 4500 rpm, el meu motor pot funcionar més lent, tot i que les velocitats més baixes són menys fiables a causa de la resistència del motor.

Trobeu un motor i una font d’alimentació adequats si teniu un motor de 12 V. Feu coincidir la tensió requerida pel motor i el corrent de la font d'alimentació hauria de ser idealment un 20% més del que requereix el motor. Si teniu un motor de 24 V, necessitareu un convertidor reductor o una font d'alimentació independent per proporcionar 12 V per a l'electrònica.

A continuació, voldrem provar les velocitats mínima i màxima que pot allotjar el vostre motor. Si teniu una font d'alimentació amb tensió seleccionable / ajustable, utilitzeu que, si no, construïu el circuit PWM que es mostra al circuit de control més endavant (o el circuit de control complet).

Pas 2: prova de velocitat

Un tacòmetre òptic és una eina fantàstica per provar la velocitat d’un motor si podeu aconseguir-ne un, aquí us presento un mètode alternatiu.

Part A

1. Prepareu un ordinador per gravar àudio amb "Audacity", que és un editor d'àudio gratuït.

2. Emboliqueu la cinta al voltant de l’eix del motor (la cinta elèctrica o emmascaradora funcionarà bé).

3. Estableix el motor a la velocitat més baixa que pot gestionar.

4. Comenceu a gravar àudio.

5. Segons el vídeo d'aquesta secció, poseu un passador de metall, ungla o clip de paper lleugerament en contacte amb la cinta durant uns segons.

6. Atureu la gravació.

7. Repetiu la velocitat màxima.

8. Vegeu l'àudio i calculeu el RPM.

Quan entrem en contacte amb la cinta amb el passador metàl·lic, volem que amb prou feines es toqui. Com més s’acosta el passador a l’eix del motor, més s’ha de doblar la cinta per passar-la i més alentim o agafem impuls del motor. Si el contacte entre la cinta i el passador metàl·lic és massa clar, és possible que no obtinguem prou volum a la gravació per indicar-nos quan es fa contacte. Per calcular RPM a partir de l'àudio a Audacity (vegeu la imatge a la part superior)

Part B

1. Amplieu l’àudio fins que pugueu veure diferents pics d’on entra en contacte el pin.

2. Feu clic esquerre sobre un pic i manteniu-lo premut, movent el ratolí perquè l'àrea seleccionada cobreixi almenys 5 pics.

3. Compteu el nombre de pics.

4. Utilitzeu la pantalla de temps "Inici i final de secció" a la part inferior de la finestra per obtenir el temps que ha trigat a produir-se aquests pics / rotacions.

5. (nombre de pics) / (temps en segons) = revolucions per segon

6. RPM = (revolucions per segon) * 60

És important assegurar-se que el motor pugui funcionar a les velocitats que necessita abans de construir el recinte per a aquest motor. Repetirem la prova de velocitat al final per calibrar-la més endavant, passant pel pas 7 de la part A i substituint el pas 3 per la velocitat que estem provant.

Pas 3: mostra de Chuck

La part més important d'aquesta compilació és el portabombes de mostra. Per al mandril d'alumini, un amic meu (Gerry) el va encendre amb un torn, i després es va fer un fil perquè s'adaptés al meu motor específic (fil imperial en el meu cas). Per a un motor amb rosca de rosca a l’eix, muntar el portabat és simplement cargolar-lo un cop fet (enllaç). Ho trobo més fàcil, tot i que és més probable que hi hagi una precessió en què es munta el mandril. Si utilitzeu un motor amb un eix llis, no tindreu cap problema amb el "joc" al fil. El desafiament aquí és que l’eix haurà d’estar enganxat o millor tenir un cargol de fixació per fixar-lo a l’eix.

Si teniu accés a un torn de treball metàl·lic i algú expert en utilitzar-lo, és millor que giri el portabroques. Si el motor té un fil, toqueu-lo al centre del portabroques. Per a un motor amb un eix llis, haureu d’utilitzar alguna cosa com un cargol de fixació per prémer contra el costat de l’eix i mantenir-lo al seu lloc.

Una alternativa que es mostra a les imatges anteriors és agafar una serra de forat i tallar un disc amb una broca. A continuació, utilitzeu un toc per tocar un fil al centre. Si teniu un material tou, podeu treure-la amb un ganivet, per a un material més dur seria adequat un fitxer. La part superior del forat es pot omplir d’epoxi o es pot epoxiar a la superfície un retall d’una làmina metàl·lica.

SEGURETAT: No s’aconsella l’ús de cola / epoxi al portabroques, ja que si falla la cua … cap a on va el portabat. El mandril girarà a gran velocitat durant l’ús, fent que el mandril d’una fina placa de metall el converteixi potencialment en un disc de tall. Us recomano utilitzar un material de menys de 5 mm de gruix.

Pas 4: Creeu la muntura del motor: la base i els ressorts

El muntatge del motor ha de servir per a 2 propòsits, mantenir el motor al seu lloc i esmorteir les vibracions. La muntura que feu serà específica per al vostre motor. Vaig a descriure el que he fet per fer-vos una idea de com fer-ho vostre. Alguns motors tenen ventilació lateral, així que tingueu en compte on es troba i deixeu-lo lliure per refredar-lo.

Base i molls Trobeu una base pesada prou gran per al projecte. Vaig trobar una secció de formigó d’un gruix adequat i la vaig tallar a mida amb una fulla de trituradora d’angle de diamant. Les llambordes de formigó o una placa metàl·lica gruixuda haurien de funcionar igual de bé. Si podeu, proveu de trobar alguna cosa que no calgui tallar.

Les pedres del formigó dificulten la perforació i, de vegades, els forats es desplaçaran cap al costat. Per tant, he forat la base de la barra roscada abans de marcar els forats de la carcassa del motor (si teniu un material més adequat, l’ordre no importarà).

1. Traieu els forats de la barra roscada amb una broca de maçoneria del diàmetre de la barra roscada.

2. Utilitzeu una broca de paleta molt més gran per enfonsar l'extrem de la barra roscada, la volandera i la femella que hi haurà sota la base.

3. Marqueu els forats del bloc de fusta del motor per a la barra roscada o en un tros de paper per utilitzar-lo posteriorment com a plantilla.

4. Talleu la barra roscada al llarg, llimeu la vora tallada i comproveu que el fil sigui encara bo. Col·locar una femella a la barra abans de tallar-la. Quan s'elimina, es pot corregir / alinear el fil, si després no està massa malmès.

5. Col·loqueu les barres a través del formigó seguides d'una rondella i una femella a cada costat.

6a. Si heu aconseguit trobar molles prou llargues i rígides com per suportar el motor i la carcassa, podeu col·locar-les seguides d'una gruixuda volandera. Es necessita una rentadora gruixuda, ja que es pot quedar atrapada al fil. Podeu fer les vostres pròpies volandres perforant un forat a través d’una peça de metall adequada i acabant el forat amb una llima.

6b. Si preferiu no utilitzar molles, es pot fer servir una rosca i una rentadora, l’inconvenient és que no servirà per esmorteir les vibracions del motor.

Pas 5: Creeu el muntatge del motor: carcassa del motor

La carcassa del motor es feia com una pinça, es feien frontisses de trossos de pi junt amb una cavitat al centre i una rosca i un cargol per subjectar-la massissa. La fusta que vaig fer servir per a la meva vivenda era una tallada d’una biga amb una secció de 38x228 mm.

1. Esbrineu la mida de la fusta que necessiteu per al motor i marqueu-la com a la (a) de la foto superior.

2. Marqueu un forat no inferior al diàmetre del motor, necessitem una mica d'espai per a la tira de goma que hi haurà entre el motor i la carcassa. El conjunt perdona la mida del forat a causa de la subjecció com el muntatge (frontissa i cargol).

3. Practicar un forat pilot i, a continuació, foradar-lo amb una serra. La serra de forat que he utilitzat només talla uns 22 mm de profunditat, de manera que he perforat a meitat de cada costat.

4. Marqueu i practiqueu els forats de la barra roscada que suportaran la carcassa del motor. Aquests haurien de tenir com a mínim 1 mm de gruix que la barra roscada per permetre el moviment lliure.

5. Enrosqueu la frontissa segons la (b) de la foto anterior i traieu-la. Es tracta de fer els forats.

6. Tallar la forma com a la (b) de la foto anterior, he utilitzat una serra posterior.

7. La forma ens permet tenir el pern oposat a la frontissa. Practicar el forat del cargol tal com es mostra a (c) de la foto anterior. El forat hauria de ser aproximadament 2 mm més gran que el pern per permetre l'obertura i tancament fàcils del conjunt.

8. Talleu la peça de la manera següent (d) de la foto anterior i torneu a cargolar la frontissa.

9. Emboliqueu el motor amb una tira de goma i col·loqueu-lo a la carcassa, la inserció i estrenyeu una femella, un pern i una arandela per mantenir la carcassa tancada, que sigui ferma però no massa estreta. Si el motor té ventilació lateral assegureu-vos de no bloquejar el flux d’aire.

10. Col·loqueu la carcassa del motor a la base. Assegureu-vos que les molles estiguin al seu lloc amb una rentadora a la part superior. Col·loqueu una rentadora i una femella a les 3 barres roscades per mantenir premut el motor. Es pot col·locar un coixinet de goma addicional entre la carcassa del motor i la rentadora a la part superior per reduir millor les vibracions.

11. Estrenyeu les 3 femelles utilitzant un nivell espiritual com a guia.

Pas 6: Construïu la muntura del motor - Cambra

Per fer la cambra he utilitzat una tina de iogurt transparent i una làmina grossa de plàstic.

1. Utilitzeu un ganivet per tallar una forma a la base del contenidor que pugui fer passar el mandril (per un mandril que no es traurà per netejar-lo). Vaig tallar una diagonal a la base del contenidor permetent que hi hagués més espai per maniobrar el contenidor per encabir-lo sobre el portabroques sense ampliar el forat del centre.

2. Fixeu el contenidor al seu lloc amb una mica de cinta a l'exterior del contenidor. Prefereixo això a un muntatge permanent per facilitar la neteja.

3. Col·loqueu una tovallola de paper a la part inferior del recipient per absorbir el líquid durant el revestiment de centrifugació, i després cobreix la cambra amb paper d'alumini. Utilitzeu una mica de cinta on sigui necessari per evitar que aquest toqui l’eix o el portabroques. Aquest "vestit" s'ha de canviar periòdicament. La làmina atrapa la major part del líquid i la tovallola de paper absorbeix la major part del que passa més enllà de la làmina.

Bonificació: després d’utilitzar el mètode de cinta de doble cara per adjuntar mostres, vaig agafar un consell d’Ossila (tenen equips de laboratori de qualitat) i vaig tallar una targeta de crèdit antiga per fer un muntatge sense buit / sense cinta per a les meves mostres.

Pas 7: Construir el circuit de control

Si mireu les imatges més amunt, veureu uns diagrames de circuits ordenats i una implementació de taules de pa. He utilitzat fonts d’alimentació separades de 12V 500mA per al circuit del motor i del control, ja que el motor té una potència de 500mA, per regla general és millor tenir un 20% de capacitat addicional a la font d’alimentació. Si teniu una font d’alimentació que pugui subministrar corrent suficient per a tots dos, fantàstic.

En lloc de fer-ho pas a pas, vegem què fa cada secció.

El circuit de control de temps encén i apaga el spin coater i controla quina de les 2 etapes / estats es troba i quan s’ha de canviar el circuit PWM.

Això es fa alimentant 2 relés mitjançant transistors MOSFET. Un relé SPST controla i activa i un relé DPDT controla quin de dos pots estableix el cicle de treball del circuit PWM.

El circuit PWM és simplement un temporitzador NE555 en funcionament astable. El cicle de treball està controlat per olles, on la proporció de la resistència configurada al valor de l'olla és el cicle de treball (vegeu "bloc de selecció de velocitat" a l'esquema).

Càrrec:

S’utilitzen els MOSFET, ja que permeten canviar el corrent d’alimentació que consumeix energia a través del seu terminal de porta. Això ens permet emmagatzemar càrrega en condensadors per alimentar els MOSFETS que al seu torn accionen els relés. Es fa servir un polsador de contacte momentani per carregar els condensadors. S’utilitzen díodes entre el contacte momentani i els condensadors per evitar el flux de corrent d’un condensador a l’altre.

Descàrrega:

El principi per controlar el temps de les 2 etapes és la descàrrega de condensadors mitjançant una resistència. Aquesta resistència és establerta per olles, com més alta és la resistència, més lenta és la descàrrega. Això idealment segueix τ = RC, on τ és període o temps, R és resistència i C és capacitat.

En el circuit de temps utilitzat hi ha 2 pots de 500 x dobles, això significa que per a cada pot hi ha 2 conjunts de terminals. Ho aprofitem cablejant la segona olla de sèrie amb ella mateixa i en sèrie amb un dels primers conjunts de terminals de tests. D'aquesta manera, quan establim resistència a la primera olla, afegirà la resistència equivalent a la segona. La primera olla està limitada a 500 K, mentre que la manera com es connecta la segona, tindrà una resistència de fins a 1000 K més el valor de la primera olla. Per incloure una resistència mínima, he afegit una resistència de valor fix a cada línia segons el diagrama del circuit.

Pas 8: calibració i proves

Després d’acabar l’espinador, vaig procedir a provar-lo. La imatge de les mostres anteriors té una mostra (híbrida-perovskita) feta amb un costós revestiment a l'esquerra i el revestidor descrit en aquest manual a la dreta. Aquests giradors estaven ajustats a la mateixa velocitat.

El spin coater es pot calibrar contra la tensió o contra la posició dels vostres Speed Speed. Inicialment, vaig calibrar amb voltatge seguit de marcar les velocitats / posicions que utilitzo més sovint a les olles.

Quan calibre amb tensió, no estic segur de si diversos multímetres llegiran el senyal PWM com el mateix voltatge, per això sempre faig servir el mateix multímetre amb el qual he calibrat si necessito configurar el spin coater a una velocitat que no tingui associada marcatge. La tensió es va llegir a la sortida alimentada al motor. El multímetre no estava connectat mentre es mesurava la velocitat per evitar la possibilitat que el multímetre reduís el corrent subministrat al motor.

1. A la secció sobre proves de velocitat es va detallar el procés a prova de velocitat. Repetiu aquest procés en diverses posicions dels testos de control de velocitat, proveu d’incloure les velocitats a les quals voleu utilitzar el girador i les velocitats mínima i màxima. N’hi hauria prou amb unes 5 mesures. Per a cada velocitat, anoteu la posició i / o la tensió.

2. Introduïu les velocitats i els voltatges de calibratge a Microsoft Excel i, a continuació, traqueu un gràfic

3. Afegiu una línia de tendència a les vostres dades. Utilitzeu l'ajust més senzill que explicarà la tendència de les dades, idealment un polinomi lineal o de segon ordre.

3a. Per fer-ho a Excel, seleccioneu el gràfic traçat, aneu a la pestanya de disseny de la cinta d’opcions

3b. Feu clic a la icona "Trendline".

3c. Seleccioneu "més opcions de línia de tendència"

3d. Trieu l'opció i marqueu "Mostra l'equació al gràfic" i "Mostra el valor al quadrat R al gràfic".

Esperem que tingueu un bon ajust, ara podeu utilitzar l’equació per calcular la RPM a partir de la tensió subministrada al motor.

Atès que i lector és probablement un científic …

Tècnica de la pipeta: al vídeo utilitzava la micropipeta en angle, això em va ajudar a mantenir el braç fora del vídeo. Idealment, la pipeta hauria de ser vertical i tan a prop de la mostra / substrat sense tocar-la com pugueu repetir de forma fiable.

Qualitat de la pel·lícula: es poden evitar algunes de les funcions de les pel·lícules primes dipositades a la imatge filtrant les solucions precursores abans d’utilitzar-les (com ara l’ús d’un filtre PTFE de 33 um). El color de la pel·lícula més clar vist des del revestidor "fantàstic" pot ser el resultat de la velocitat i de l'atmosfera. El revestiment "fantàstic" es va fabricar per funcionar només amb un flux elevat de gas inert, ja que les pel·lícules estaven revestides de nitrogen amb el revestiment "fantàstic" i aire al revestidor de bricolatge.

Pas 9: Reconeixements

En aquesta breu secció es dóna un context d’estudi i dels grups que donen suport a la meva investigació, que se centra al voltant de la fotovoltaica híbrida-perovskita.

• Universitat de Witwatersrand, Sud-àfrica
• Fundació Nacional de Recerca (NRF), Sud-àfrica
• GCRF-START. UK
• Gerry (que va mecanitzar el mandril d'alumini)