Spin Coater V1 (téměř analogový): 9 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Ne všechna zařízení jsou vyrobena tak, aby vydržela, jsem student/výzkumník studující materiály tenkých vrstev pro solární techniku. Jednou z kusů vybavení, na kterých jsem závislý, se nazývá spin coater. Jedná se o nástroj používaný k výrobě tenkých vrstev materiálu z kapalného roztoku nebo prekurzoru. Tyto tenké filmy lze vrstvit do zařízení, jako jsou články solárních panelů nebo LED diody.

Na mé univerzitě jsme měli mnoho problémů s dostupnějšími komerčními produkty, které jsou k dispozici za ekvivalent několika tisíc dolarů. Tyto komerční rotační potahovače využívají vakuové sklíčidlo k držení vzorků a problémy, se kterými se setkaly, zahrnovaly mimo jiné zadřené motory, ucpaná vakuová sklíčidla, kuřácké kondenzátory, které ovlivňovaly zpětnou vazbu, na kterou se řízení rychlosti spoléhalo. Nejsem si vědom problémů, které s nimi měla každá výzkumná skupina, ale vím, že se v zásadě vyskytl alespoň jeden, který se opravuje nebo čeká na opravu.

Sdílení, které sdílím, je jednoduché, původně používalo oboustrannou pásku místo vakuového sklíčidla k uchovávání vzorků, toto bylo později aktualizováno na jednodušší použití (viz krok 6). Za mírného používání je v provozu více než rok. Kromě opotřebení relé (při instalaci to nebylo nové relé) nebyly žádné problémy.

Projekt je vyroben převážně z nalezených částí, jako je motor s proudovým hodnocením 1 „leer“(500 mA), beton, stavební dřevo a některé zachráněné elektronické součástky.

Zásoby

Očekávám, že kdokoli zkouší tento projekt, bude dělat variace, takže toto není vyčerpávající seznam toho, co je pro projekt potřeba.

Jádro:

DC motor schopný ne méně než 4000 ot / min

Sklíčidlo vyrobené pro zvolený motor (diskutováno později)

Komora:

Kulatá plastová vana (použil jsem jogurtovou vanu)

Tlustý plast nebo alternativa k obložení dna vany

Papírový ručník

Páska

Držák:

odřezek z borovice 38 x 228 mm (obvykle se používá pro krokve ve střeše)

Závěs dlouhý 30 mm

Pryž nebo tvrdá pěna (montáž na motor)

Šroub M6 s vhodnou hlavou šroubováku

Matice M6

6 mm podložka

Základna a odpružení:

Těžká základna (použil jsem betonový blok nařezaný na míru)

Závitová tyč M6

9x matice M6 pro závitovou tyč

3x Dlouhé pružiny o průměru 8 mm

Podložky 12x 6 mm

Základy ovládání:

Krabice projektu (Použil jsem zmrzlinovou vanu, to je dobrá výmluva jíst zmrzlinu)

Napájení 12 V (použil jsem 2, takže motor mohl být na samostatném zdroji)

1x usměrňovací diody pro motor

2stupňový časovač:

2x n-kanálový MOSFET (jako IRF540)

2x 47 uF cap hliník 35V

2x B500k pot duální snímek

Odpor 200K

10K odpor

2x usměrňovací diody pro relé

Okamžitý kontakt tlačítkem

Relé SPST (časovač start/stop)

Relé DPDT (časovač rychlost 1/rychlost 2 přechod)

Obvod PWM:

1x časovač NE555

1x 1k odpor

2x 10nC kondenzátory

1x n-kanálový MOSFET (jako IRF540)

1x chladič pro MOSFET

1x izolační silikonová podložka pro chladič

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

2x 10k hrnce (pracovní cyklus)

1x usměrňovací diody pro relé

Testování rychlosti motoru:

Ideál:

optický otáčkoměr.

Alternativní:

Páska

Tenký drát jako tvrdý předmět (např. Drát, párátko, sponka na papír)

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

Krok 1: Máte vhodný motor?

Většina rotačních potahovačů musí pracovat v rozsahu rychlostí 500 až 6000 ot / min. Moje práce potřebuje 2 000 a 4 000 ot./min jako nejvíce importních rychlostí, takže jsem si mohl vystačit se stejnosměrným motorem, u kterého jsem ležel a který pracoval v rozmezí 1100 až 4500 ot./min, můj motor může běžet pomaleji, i když pomalejší rychlosti jsou méně spolehlivé kvůli odpor v motoru.

Pokud máte 12 V motor, najděte vhodný motor a napájecí zdroj. Slaďte napětí požadované vaším motorem a proud napájecího zdroje by měl být v ideálním případě o 20% vyšší, než vyžaduje motor. Pokud máte motor 24 V, budete potřebovat krokový převodník nebo samostatný napájecí zdroj, který zajistí 12 V pro elektroniku.

Dále budeme chtít vyzkoušet minimální a maximální rychlosti, které váš motor dokáže pojmout. Pokud máte napájecí zdroj s volitelným/nastavitelným napětím, použijte jej, pokud ne, vytvořte obvod PWM zobrazený v řídicím obvodu dále (nebo plný řídicí obvod).

Krok 2: Test rychlosti

Optický tachometr je skvělý nástroj pro testování rychlosti motoru, pokud se vám do ruky dostane, zde uvádím alternativní metodu.

Část A

1. Připravte počítač k záznamu zvuku pomocí „Audacity“, což je bezplatný zvukový editor.

2. Omotejte pásku kolem hřídele vašeho motoru (elektrická nebo maskovací páska bude fungovat dobře).

3. Nastavte motor na nejnižší otáčky, které může řídit.

4. Začněte nahrávat zvuk.

5. Podle videa v této části přiveďte na několik sekund kovový kolík, hřebík nebo kancelářskou sponku lehce do kontaktu s páskou.

6. Zastavte nahrávání.

7. Opakujte pro maximální rychlost.

8. Zobrazte zvuk a vypracujte otáčky.

Když kontaktujeme pásku s kovovým kolíkem, chceme, aby se jen stěží dotýkala. Čím blíže přitáhnete kolík k hřídeli motoru, tím více se musí páska ohnout, aby ji projela, a tím více zpomalíme nebo ubereme z motoru hybnost. Pokud je kontakt mezi páskou a kovovým kolíkem příliš světlý, nemusíme mít v záznamu dostatečnou hlasitost, která by nám řekla, kdy dojde ke kontaktu. Výpočet RPM ze zvuku v Audacity (viz obrázek nahoře)

Část B

1. Přibližujte zvuk, dokud neuvidíte výrazné špičky místa, kde se špendlík dotýká.

2. Klikněte levým tlačítkem na vrchol a podržte, pohybujte myší tak, aby vybraná oblast pokrývala nejméně 5 vrcholů.

3. Spočítat počet vrcholů.

4. Pomocí zobrazení času „Začátek a konec sekce“ve spodní části okna získáte čas, za který tyto vrcholy/otáčky nastaly.

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

6. RPM = (otáčky za sekundu)*60

Před postavením krytu pro tento motor je důležité zajistit, aby váš motor mohl pracovat při rychlostech, které potřebujete. Na konci zopakujeme test rychlosti pro kalibraci, později vynecháme krok 7 části A a krok 3 nahradíme jakoukoli rychlostí, kterou testujeme.

Krok 3: Ukázka Chucka

Nejdůležitější částí této sestavy je sklíčidlo na vzorky. Pokud jde o hliníkové sklíčidlo, můj přítel (Gerry) to otočil na soustruhu, pak byl závit poklepán, aby se vešel do mého konkrétního motoru (v mém případě imperiální závit). U motoru se šroubovým závitem na hřídeli je montáž sklíčidla jednoduše jeho zašroubováním, jakmile je vyrobeno (odkaz). Považuji to za jednodušší, i když je pravděpodobnější, že dojde k precesi, na kterou je sklíčidlo namontováno. Pokud používáte motor s hladkým hřídelem, nebudete mít žádné problémy s „vůlí“v závitu. Problémem je, že hřídel bude buď nutné nalepit, nebo ještě lépe použít šroub pro dotažení na hřídel.

Pokud máte přístup k soustruhu na obrábění kovů a máte k tomu někoho zkušeného, je nejlepší otočit sklíčidlo. Pokud má váš motor závit, klepněte na nit uprostřed sklíčidla. U motoru s hladkým hřídelem budete muset použít něco jako stavěcí šroub, který přitlačí na stranu hřídele a přidrží jej na místě.

Alternativou ukázanou na obrázcích výše je vzít děrovku a řezat kotouč pomocí vrtačky. Poté klepnutím klepněte na vlákno do středu. Pokud máte měkký materiál, můžete otřepy odstranit nožem, pro tvrdší materiál by byl vhodný pilník. Horní část otvoru pak může být vyplněna epoxidem nebo vystřižena z plechu epoxidována na povrch.

BEZPEČNOST: Použití lepidla/epoxidu na sklíčidlo se nedoporučuje, protože pokud lepidlo selže … kam sklíčidlo zmizí. Během používání se sklíčidlo bude otáčet vysokou rychlostí, což způsobí, že se sklíčidlo z tenké kovové desky změní na řezací kotouč. Doporučuji použít materiál o tloušťce nejméně 5 mm.

Krok 4: Postavte držák motoru - základnu a pružiny

Držák motoru by měl sloužit 2 účelům, udržovat motor na místě a tlumit vibrace. Držák, který vyrobíte, bude specifický pro váš motor. Popíšu, co jsem udělal, abyste měli představu, jak si vytvořit vlastní. Některé motory mají na boku ventilaci, takže si uvědomte, kde to je, a nechte to chladné.

Základna a pružiny Najděte pro projekt dostatečně velkou základnu. Našel jsem část betonu vhodné tloušťky a rozřezal ji na velikost pomocí diamantové úhlové brusky. Stejně dobře by měly fungovat betonové dlažební kostky nebo tlustá kovová deska. Pokud můžete, zkuste najít něco, co není nutné stříhat.

Kameny v betonu ztěžují provrtání a někdy to znamená, že se otvory budou unášet do strany. Před vyznačením otvorů na plášti motoru jsem tedy vyvrtal do základny otvory pro závitovou tyč (pokud máte dostupnější materiál, na pořadí nezáleží).

1. Vyvrtejte otvory pro závitovou tyč zděným vrtákem o průměru závitové tyče.

2. Pomocí mnohem většího vrtáku do zdiva zamezte potopení konce závitové tyče, podložky a matice, které budou pod základnou.

3. Na dřevěném bloku skříně motoru označte otvory pro tyč se závitem nebo na kus papíru, který později použijete jako šablonu.

4. Odřízněte závitovou tyč na délku, přeřízněte ostří a zkontrolujte, zda je nit stále dobrá. Umístění matice na lištu před řezáním. Když je toto odstraněno, může opravit nebo zarovnat vlákno, pokud není příliš poškozeno.

5. Umístěte tyče do betonu a poté na každé straně podložku a matici.

6a. Pokud se vám podařilo najít pružiny dostatečně dlouhé a tuhé, aby unesly motor a kryt, můžete je umístit následované silnou podložkou. Je nutná silná podložka, protože tenká podložka se může zachytit v niti. Vlastní podložky si můžete vyrobit vyvrtáním otvoru vhodným kovovým kusem a dokončením otvoru pilníkem.

6b. Pokud raději nepoužíváte pružiny, lze místo nich použít matici a podložku, nevýhodou je, že to nebude sloužit k tlumení vibrací motoru.

Krok 5: Postavte držák motoru - kryt motoru

Skříň motoru byla vyrobena jako svorka, kousky borovice byly zavěšeny společně s dutinou uprostřed a maticí a šroubem, aby byla pevná. Dřevo použité pro mé bydlení bylo odříznuto z krokve s průřezem 38 x 228 mm.

1. Zjistěte velikost dřeva, kterou potřebujete pro svůj motor, a označte kus jako na (a) výše uvedené fotografie.

2. Vyznačte otvor ne menší než průměr vašeho motoru, potřebujeme malý prostor pro gumový pásek, který bude mezi motorem a skříní. Sestava je vůči velikosti otvoru shovívavá díky montáži podobné svorce (závěs a šroub).

3. Vyvrtejte pilotní otvor a poté vyvrtejte otvor pomocí děrovky. Děrová pila, kterou jsem použil, měla pouze řezy asi 22 mm hluboké, takže jsem z každé strany navrtal polovinu.

4. Označte a vyvrtejte otvory pro závitovou tyč, která bude podpírat kryt motoru. Ty by měly být alespoň o 1 mm silnější než závitová tyč, aby byl umožněn volný pohyb.

5. Zašroubujte závěs podle (b) na výše uvedené fotografii a poté jej vyjměte. To má udělat díry.

6. Vyřízněte tvar jako na (b) výše uvedené fotografie, použil jsem zpětnou pilu.

7. Tvar nám umožňuje mít šroub naproti závěsu. Vyvrtejte otvor pro šroub podle obrázku (c) na výše uvedené fotografii. Otvor by měl být asi o 2 mm větší než šroub, aby bylo umožněno snadné otevírání a zavírání sestavy.

8. Odřízněte kus po délce tak, jak je uvedeno na (d) výše uvedené fotografie, a poté zašroubujte závěs zpět.

9. Zabalte motor gumovým páskem a vložte do pouzdra, vložky a utáhněte matici, šroub a podložku, aby držel kryt zavřený, aby byl pevný, ale ne příliš těsný. Pokud má váš motor na boku ventilaci, ujistěte se, že neblokujete jeho proudění vzduchu.

10. Umístěte kryt motoru na základnu. Ujistěte se, že jsou pružiny na svém místě s podložkou nahoře. Umístěte podložku a matici na 3 závitové tyče, které drží motor. Mezi těleso motoru a podložku nahoře lze umístit další gumovou podložku, aby se lépe snížily vibrace.

11. Utáhněte 3 matice pomocí vodováhy.

Krok 6: Postavte držák motoru - komoru

Na výrobu komory jsem použil průhlednou jogurtovou vanu a silnou plastovou fólii.

1. Pomocí nože nařízněte na dně nádoby tvar, přes který můžete sklíčidlo dostat (u sklíčidla, které nebude odstraněno kvůli čištění). Prořízl jsem úhlopříčku přes základnu kontejneru, což umožnilo větší prostor pro manévrování kontejneru, aby se vešel přes sklíčidlo, aniž by se zvětšil otvor ve středu.

2. Upevněte nádobu na místo trochou pásky na vnější straně nádoby. Upřednostňuji to před trvalou montáží pro snazší čištění.

3. Na dno nádoby položte papírový ručník, který absorbuje tekutinu během odstřeďování, a poté přikryjte komoru hliníkovou fólií. V případě potřeby použijte kousek pásky, aby se nedotkl hřídele nebo sklíčidla. Tento „obvaz“by měl být pravidelně měněn. Fólie zachytí většinu tekutiny a papírový ručník absorbuje většinu toho, co se dostane přes fólii.

Bonus: Poté, co jsem k připevnění vzorků použil metodu oboustranné pásky, vzal jsem si nápovědu od Ossily (Mají nějaké kvalitní laboratorní vybavení) a rozřezal starou kreditní kartu, abych pro své vzorky vytvořil držák bez vakua/pásky.

Krok 7: Budování řídicího obvodu

Při pohledu na obrázky nahoře uvidíte úhledná schémata zapojení a implementaci chlebové desky. Použil jsem samostatné napájecí zdroje 12V 500mA pro motor a řídicí obvod, protože motor je dimenzován na 500mA, jako pravidlo je lepší mít o 20% větší kapacitu na vašem napájecím zdroji. Pokud máte napájecí zdroj, který může dodávat dostatečný proud pro oba, skvělé.

Spíše než krok za krokem se podívejme na to, co jednotlivé sekce dělají.

Obvod časového řízení zapíná a vypíná odstřeďovač a řídí, ve kterém ze 2 stupňů/stavů je obvod PWM a kdy se má přepnout.

To se provádí napájením 2 relé pomocí tranzistorů MOSFET. Relé SPST ovládá zapnutí a vypnutí a relé DPDT ovládá, který ze dvou hrnců nastavuje pracovní cyklus obvodu PWM.

Obvod PWM je jednoduše časovač NE555 v astabilním provozu. Pracovní cyklus je řízen potenciometry, kde poměr nastaveného odporu k hodnotě potu je pracovní cyklus (schematicky viz „blok voliče rychlosti“).

Nabít:

Používají se MOSFETY, protože umožňují přepínání zanedbatelného proudu odebírajícího energii přes jejich terminál brány. To nám umožňuje ukládat náboj do kondenzátorů pro napájení MOSFETŮ, které zase pohánějí relé. K nabíjení kondenzátorů se používá momentální kontaktní tlačítko. Mezi momentovým kontaktem a kondenzátory se používají diody, které zabraňují proudění proudu z jednoho kondenzátoru do druhého.

Vybít:

Principem řízení času 2 stupňů je vybíjení kondenzátorů odporem. Tento odpor je nastaven hrnci, čím vyšší je odpor, tím je výboj pomalejší. To v ideálním případě následuje τ = RC, kde τ je perioda nebo čas, R je odpor a C je kapacita.

V použitém časovém obvodu jsou 2 x 500K duální potenciometry, to znamená, že pro každý potenciometr jsou 2 sady terminálů. Toho využíváme tím, že zapojíme druhý hrnec do série se sebou samým a do série s jednou z prvních koncových sad potů. Tímto způsobem, když nastavíme odpor na první banku, přidá ekvivalentní odpor na druhou. První pot je omezen na 500K, zatímco způsob, jakým je druhý zapojen, bude mít odpor až 1000K plus hodnotu prvního banku. Abych zahrnoval minimální odpor, dále jsem přidal rezistor s pevnou hodnotou do každého vedení podle schématu zapojení.

Krok 8: Kalibrace a testování

Po dokončení odstřeďování jsem pokračoval v testování. Obrázek výše uvedených vzorků má vzorek (hybridní perovskit) vytvořený na drahém odstředivém lakovači vlevo a odstředivý potahovač popsaný v tomto Instructable vpravo. Tyto odstřeďovače byly nastaveny na stejnou rychlost.

Otočný potahovač lze kalibrovat buď proti napětí, nebo proti poloze vašich rychlostních hrnců. Zpočátku jsem kalibroval pomocí napětí, po kterém následovalo označení rychlostí/poloh, které na bankách používám nejčastěji.

Při kalibraci s napětím si nejsem jistý, zda různé multimetry budou číst signál PWM jako stejné napětí, proto vždy používám stejný multimetr, se kterým jsem kalibroval, pokud potřebuji nastavit odstředivý potahovač na rychlost, která nemá související označení. Napětí bylo odečteno na výstupu přiváděném do motoru. Během měření rychlosti nebyl multimetr připojen, aby se zabránilo možnosti multimetru snížit proud dodávaný do motoru.

1. V části o testování rychlosti byl podrobně popsán postup k testu rychlosti. Tento postup opakujte v různých polohách na hrncích pro řízení rychlosti, zkuste zahrnout rychlosti, při kterých hodláte používat odstřeďovač, a minimální a maximální rychlosti. Mělo by stačit asi 5 měření. Pro každou rychlost zaznamenejte polohu a/nebo napětí.

2. Vložte kalibrační rychlosti a napětí do aplikace Microsoft Excel a poté nakreslete graf

3. Přidejte do svých dat trendovou čáru. Použijte nejjednodušší přizpůsobení, které vysvětlí trend dat, ideálně lineární nebo polynom 2. řádu.

3a. Chcete -li to provést v aplikaci Excel, vyberte svůj vykreslený graf, přejděte na kartu rozložení na pásu karet možností

3b. Klikněte na ikonu „Trendline“.

3c. Vyberte „více možností trendové linie“

3d. Vyberte možnost a zaškrtněte „Zobrazit rovnici na grafu“a „Zobrazit hodnotu R na druhou v grafu“

Naštěstí se vám to dobře hodí, nyní můžete pomocí rovnice vypočítat otáčky z napětí dodávaného do motoru.

Protože a čtenář je pravděpodobně vědec …

Technika pipety: Ve videu jsem použil mikro-pipetu pod úhlem, což mi pomohlo udržet ruku mimo video. V ideálním případě by měla být pipeta svislá a co nejblíže vzorku/substrátu, aniž byste se jí dotkli, protože můžete spolehlivě opakovat.

Kvalita filmu: Některým vlastnostem nanesených tenkých filmů v obraze lze zabránit filtrací prekurzorových roztoků před použitím (například použitím 33 um PTFE filtru). Světlejší barva filmu pozorovaná z „efektního“odstředivého lakovače může být důsledkem rychlosti a atmosféry. "Vychytaný" odstředivý potahovač byl vyroben tak, aby fungoval pouze s vysokým proudem inertního plynu, protože takové filmy byly spřádány potaženy dusíkem na "efektním" odstředivkovém potahovacím zařízení a vzduchem ve spřádacím potahovacím zařízení DIY.

Krok 9: Potvrzení

Tato krátká část poskytuje kontext toho, kde studuji, a skupiny, které podporují můj výzkum zaměřený na hybridní perovskitovou fotovoltaiku.

• University of the Witwatersrand, Jižní Afrika
• National Research Foundation (NRF), Jižní Afrika
• GCRF-START. Spojené království
• Gerry (který opracoval sklíčidlo hliníkového rotačního obalovače)