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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

Nije sva oprema trajna, ja sam student/istraživač koji proučava materijale tankih filmova za solarnu tehnologiju. Jednom od opreme o kojoj ovisim 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 solarne ploče ili LED dioda.

Na mom sveučilištu imali smo mnogo problema s pristupačnijim komercijalnim proizvodima koji su dostupni u protuvrijednosti od nekoliko tisuća dolara. Ovi komercijalni centrifugači koriste vakuumsku steznu glavu za držanje uzoraka, a problemi s kojima su se susreli uključivali su oduzete motore, začepljene vakuumske stezne glave, kondenzatore za pušenje, među ostalim koji su utjecali na povratne informacije na koje se oslanjala kontrola brzine. Nisam upoznat s problemima koje je svaka istraživačka skupina imala s njima, ali znam da se općenito barem jedna popravljala ili čekala na popravak u bilo kojem 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 uporabu (vidi korak 6). U uporabi je više od godinu dana pri laganoj uporabi. Nije bilo nikakvih problema osim trošenja releja (ovo nije bio novi relej kada je instaliran).

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

Pribor

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

Jezgra:

Istosmjerni motor 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

Papirnati ručnik

Traka

Nosač:

izrezan bor 38x228 mm (obično se koristi za rogove u krovovima)

Šarke duge 30 mm

Guma ili tvrda pjena (montaža motora)

Vijak M6 s odgovarajućom glavom s odvijačem

M6 matica

Podloška od 6 mm

Baza i ovjes:

Teška podloga (koristio sam betonski blok izrezan po veličini)

M6 Šipka s navojem

9x matice M6 za šipku s navojem

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 -stupanjski mjerač vremena:

2x n-kanalni MOSFET (poput IRF540)

2x 47 uF kapa aluminij 35V

2x dvostruki tobogan B500k lonac

200K otpornik

10K otpornik

2x ispravljačke diode za releje

Trenutni kontakt pritiskom na gumb

Relej SPST (timer start/stop)

Relej DPDT (brzina timera 1/prijelaz brzine 2)

PWM krug:

1x timer NE555

1x 1k otpornik

2x 10nC kondenzatora

1x n-kanalni MOSFET (poput IRF540)

1x hladnjak za MOSFET

1x izolacijska 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:

Idealan:

optički tahometar.

Alternativa:

Traka

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

Računalo s 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 okretaja u minuti, 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 za elektroniku.

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 krug prikazan u upravljačkom krugu dalje (ili cijeli upravljački krug).

Korak 2: Test brzine

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

Dio A

1. Pripremite računalo za snimanje zvuka s "Audacity" koji je besplatni uređivač zvuka.

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

3. Postavite motor na najmanju moguću brzinu.

4. Počnite snimati zvuk.

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

6. Zaustavite snimanje.

7. Ponovite za najveću brzinu.

8. Pregledajte zvuk i izračunajte broj okretaja u minuti.

Kad traku dodirnemo metalnom iglom, želimo da se jedva dodiruje. Što više 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 glasnoće na snimci 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 različite vrhove mjesta gdje igla dolazi u kontakt.

2. Pritisnite lijevu tipku miša na vrh i zadržite, pomičući miš 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 te vrhove/rotacije.

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 ispitivanje brzine na kraju radi kalibracije kasnije izostavljajući korak 7 dijela A i zamjenjujući korak 3 bilo kojom brzinom koju testiramo.

Korak 3: Uzorak stezne glave

Najvažniji dio ove konstrukcije je stezna glava. Za aluminijsku steznu glavu, moj prijatelj (Gerry) okrenuo ju je na tokarilici, a zatim je zataknut konac koji je stao u moj motor (imperijalni navoj u mom slučaju). Za motor s navojnim navojem na vratilu, montaža stezne glave jednostavno je uvrtanje nakon što je napravljen (karika). Smatram da je to 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 niti. Izazov je ovdje što će vratilo morati ili biti zalijepljeno ili još bolje imati vijak za pričvršćivanje na osovinu.

Ako imate pristup strugu za obradu metala i netko vješt u korištenju, najbolje je okrenuti steznu glavu. Ako vaš motor ima navoj, dodirnite konac po sredini stezne glave. Za motor s glatkom osovinom morat ćete upotrijebiti nešto poput vijka za pritezanje 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. Zatim se vrh rupe 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 uporabe 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. Opisat ću ono što sam učinio kako bih vam dao ideju o tome kako sami napraviti. Neki motori imaju ventilaciju sa strane, stoga budite svjesni gdje se to nalazi i neka bude jasno za hlađenje.

Baza i opruge Pronađite dovoljno veliku podlogu za projekt. Našao sam dio betona odgovarajuće debljine i izrezao ga prema veličini pomoću dijamantne kutne brusilice. Betonski opločnici 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 zidanim svrdlom 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. Odrežite šipku s navojem na duljinu, turpijom odrežite rub i provjerite je li konac još uvijek 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 koje su dovoljno dugačke i krute da podupiru motor i kućište, možete ih postaviti, a zatim staviti debelu podlošku. Potrebna je debela podloška jer se tanka podloška može zakačiti za konac. 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 prigušivanje vibracija motora.

Korak 5: Izgradite nosač motora - kućište motora

Kućište motora izrađeno je poput stezaljke, komadići bora bili su 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 je kao na (a) gornjoj fotografiji.

2. Označite rupu ne manju 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 je izbušite pomoću pile. Pila za rupe koju sam koristio samo je rezove duboke oko 22 mm pa sam bušila na pola puta sa svake strane.

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

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

6. Izrežite oblik kao u (b) gornje fotografije, upotrijebio sam leđnu pilu.

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

8. Izrežite komad po duljini kao u (d) gornje fotografije, a zatim ponovno 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 čvrsto, ali ne pretjerano čvrsto. Ako vaš motor sa strane ima ventilaciju, pazite da mu ne blokirate protok zraka.

10. Postavite kućište motora na podnožje. Provjerite jesu li opruge postavljene s podloškom na vrhu. Postavite podlošku i maticu na 3 šipke s navojem kako biste držali motor. Između kućišta motora i podloške na vrhu može se postaviti dodatni gumeni jastučić za bolje smanjenje 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 na dnu spremnika dopuštajući više prostora za manevriranje spremnikom da stane preko stezne glave bez povećanja rupe u sredini.

2. Popravite spremnik s malo trake s vanjske strane spremnika. Ovo mi je draže od trajne montaže radi lakšeg čišćenja.

3. Stavite papirnati ubrus na dno spremnika da upije tekućinu tijekom centrifugiranja, a zatim pokrijte komoru aluminijskom folijom. Po potrebi upotrijebite malo trake kako ovo ne bi dotaklo osovinu ili steznu glavu. Ovo "odijevanje" treba povremeno mijenjati. Folija hvata većinu tekućine, a papirnati ubrus upija većinu onoga što prođe pokraj 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 krušne ploče. Koristio sam zasebna 12V 500mA napajanja za motor i upravljački krug jer je motor ocijenjen za 500mA, u 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 što svaki odjeljak radi.

Krug za upravljanje vremenom uključuje i isključuje uređaj za centrifugiranje i kontrolira u koje je od 2 stupnja/stanja uključen PWM krug i kada se treba uključiti.

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

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

Naplatiti:

MOSFET -ovi se koriste jer omogućuju prebacivanje zanemarive struje kroz svoj terminal. To nam omogućuje spremanje naboja u kondenzatore 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 stupnja je pražnjenje kondenzatora kroz otpor. Ovaj otpor postavljaju lonci, što je otpor veći, sporije je pražnjenje. To idealno slijedi τ = RC, gdje je τ razdoblje 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. To iskorištavamo povezujući drugi lonac u nizu sa samim sobom i u seriji s jednim od prvih terminala za lonce. Na ovaj način, kad postavimo otpor na prvi pot, dodat će ekvivalentni otpor drugom. Prvi lonac je ograničen na 500K, dok će način na koji je drugi ožičen imati otpor do 1000K plus vrijednost prvog lonca. Da bih uključio minimalni otpor, dodatno sam dodao otpornik fiksne vrijednosti u svaku liniju prema dijagramu kruga.

Korak 8: Kalibracija i ispitivanje

Nakon završetka centrifugiranja, nastavio sam ga testirati. Slika gornjih uzoraka ima uzorak (hibrid-perovskit) napravljen na skupocjenom spin premazu s lijeve strane i spin premaz opisan u ovom Uputu s desne strane. Ovi centrifugači su podešeni na istu brzinu.

Uređaj za centrifugiranje može se kalibrirati 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 obilježava. Napon je očitan na izlazu koji se dovodi u motor. Multimetar nije bio spojen tijekom mjerenja brzine 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. Stavite kalibracijske brzine i napone u Microsoft Excel, a zatim iscrtajte grafikon

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

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

3b. Kliknite na ikonu "Trendline".

3c. Odaberite "više opcija linije trenda"

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

Nadamo se da se dobro uklapate, a sada možete upotrijebiti jednadžbu za izračun broja okretaja iz napona koji se dovodi na motor.

Budući da je čitatelj vjerojatno znanstvenik …

Tehnika pipete: U videu sam koristio mikro-pipetu 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 kako se pouzdano može ponoviti.

Kvaliteta filma: Neke od značajki taloženih tankih filmova na slici mogu se izbjeći filtriranjem otopina prekursora prije uporabe (poput upotrebe PTFE filtra od 33 um). Svjetlija boja filma vidljiva iz "fancy" spin premaza može biti posljedica brzine i atmosfere. "Fancy" spin premaz proizveden je samo za rad s visokim 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 je usredotočeno na hibridno-perovskitne fotonapone.

• Sveučilište Witwatersrand, Južna Afrika
• Nacionalna istraživačka zaklada (NRF), Južna Afrika
• GCRF-START. UK
• Gerry (koji je strojno obrađivao aluminijsku steznu glavu)