Spin Coater V1 (melkein analoginen): 9 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Kaikkia laitteita ei ole tehty kestämään, olen opiskelija/tutkija, joka tutkii ohutkalvomateriaaleja aurinkotekniikkaan. Kerran laitteista, joihin olen riippuvainen, kutsutaan spincoateriksi. Tätä työkalua käytetään ohuiden kalvojen valmistamiseen materiaalista nestemäisestä liuoksesta tai esiasteesta. Nämä ohuet kalvot voidaan kerrostaa laitteisiin, kuten aurinkopaneelikennoihin tai LED -valoihin.

Yliopistossani meillä on ollut monia ongelmia edullisempien kaupallisten tuotteiden kanssa, jotka ovat saatavilla muutaman tuhannen dollarin hinnalla. Nämä kaupalliset spin -päällystyslaitteet käyttävät tyhjiöistukkaa pitämään näytteitä alhaalla, ja heidän kohtaamiinsa ongelmiin kuuluivat takavarikoidut moottorit, tukkeutuneet tyhjiöistukat, savukondensaattorit, jotka vaikuttivat muun muassa palautteen määrään, johon nopeuden säätö perustui. En ole tietoinen ongelmista, joita jokaisella tutkimusryhmällä on ollut heidän kanssaan, mutta tiedän, että yleensä ainakin yksi on saanut korjausta tai odottaa korjaamista milloin tahansa.

Suunnittelu, jonka jaan, on yksinkertainen, se käytti alun perin kaksipuolista teippiä tyhjiöistukan sijasta näytteiden pitämiseksi. Tämä päivitettiin myöhemmin helppokäyttöisemmäksi (katso vaihe 6). Se on ollut käytössä yli vuoden kevyessä käytössä. Ei ole ollut ongelmia, paitsi releen kuluminen (tämä ei ollut uusi rele asennettuna).

Projekti on tehty enimmäkseen löydetyistä osista, kuten moottorista, jonka virrankulutus on 1 "leer" (500 mA), betonista, rakennuspuusta ja joistakin pelastetuista elektronisista komponenteista.

Tarvikkeet

Odotan, että jokainen, joka yrittää tätä projektia, tekee muunnelmia, joten tämä on ei -tyhjentävä luettelo hankkeen tarpeista.

Ydin:

Tasavirtamoottori, jonka nopeus on vähintään 4000 rpm

Istukka valitulle moottorille (keskustellaan myöhemmin)

Jaosto:

Pyöreä muoviastia (käytin jogurttipurkkia)

Paksu muovi tai vaihtoehto vuoraamaan ammeen pohja

Paperipyyhe

Nauha

Kiinnitys:

38x228 mm männyn leikkaus (käytetään tyypillisesti kattoparrut)

30 mm pitkä sarana

Kumi tai kova vaahto (moottorin kiinnitys)

M6 -pultti ruuvimeisselillä sopivalla kannalla

M6 mutteri

6 mm aluslevy

Jalusta ja jousitus:

Raskas pohja (käytin kokoon leikattua betonilohkoa)

M6 Kierretanko

9x M6 mutteria kierretankoa varten

3x pitkät jouset, halkaisija 8 mm

12x 6 mm aluslevyt

Säätimien perusteet:

Projektilaatikko (käytin jäätelöastiaa, tämä on hyvä tekosyy syödä jäätelöä)

12 V: n virtalähde (käytin 2, joten moottori voi olla erillisessä lähteessä)

1x tasasuuntausdiodi moottorille

2 -vaiheinen ajastin:

2x n-kanavainen MOSFET (kuten IRF540)

2x 47 uF korkki alumiini 35V

2x B500k potti, kaksoisliuku

200K vastus

10K vastus

2x tasasuuntausdiodit releille

Painikkeen hetkellinen yhteys

Rele SPST (ajastimen käynnistys/pysäytys)

Rele DPDT (ajastimen nopeus 1/nopeus 2 siirtyminen)

PWM -piiri:

1x NE555 ajastin

1x 1k vastus

2x 10 nC kondensaattorit

1x n-kanavainen MOSFET (kuten IRF540)

1x jäähdytyselementti MOSFETille

1x eristyspiikkilevy jäähdytyselementille

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

2x 10 000 ruukkua (käyttöjakso)

1x tasasuuntaajan diodit releille

Moottorin nopeuden testaus:

Ihanteellinen:

optinen kierroslukumittari.

Vaihtoehto:

Nauha

Ohut lanka, kuten kova esine (esim. Lanka, hammastikku, paperiliitin)

Tietokone, johon on asennettu "Audacity"

Vaihe 1: Onko sinulla sopiva moottori?

Useimpien linkouspinnoittimien on toimittava nopeusalueella 500-6000 rpm. Työni tarvitsee eniten tuontinopeuksia 2000 ja 4000 rpm, joten voisin pärjätä tasavirtamoottorilla, jonka olin makaamassa ja joka toimi alueella 1100-4500 rpm, moottorini voi toimia hitaammin, vaikka hitaammat nopeudet ovat vähemmän luotettavia moottorin vastus.

Etsi sopiva moottori ja virtalähde, jos sinulla on 12 V: n moottori. Sovita moottorisi tarvitsema jännite ja virtalähteen virran tulisi mieluiten olla 20% enemmän kuin moottori vaatii. Jos käytössäsi on 24 V: n moottori, tarvitset alennusmuuntimen tai erillisen virtalähteen 12 V: n elektroniikan tuottamiseksi.

Seuraavaksi haluamme testata moottorin pienimmät ja suurimmat nopeudet. Jos sinulla on virtalähde, jossa on valittavissa/säädettävä jännite, käytä sitä, ellei rakenna ohjauspiirissä näkyvää PWM -piiriä (tai koko ohjauspiiriä).

Vaihe 2: Nopeustesti

Optinen kierroslukumittari on loistava työkalu moottorin nopeuden testaamiseen, jos saat käsiinsä sellaisen, tässä esitän vaihtoehtoisen menetelmän.

Osa A

1. Valmista tietokone tallentamaan ääntä "Audacity" -ohjelmalla, joka on ilmainen äänieditori.

2. Kiedo teippi moottorin akselin ympärille (sähkö- tai maalarinteippi toimii hyvin).

3. Aseta moottori pienimmälle nopeudelle, jonka se voi hallita.

4. Aloita äänitys.

5. Tuo tämän osan videon mukaisesti metallistappi, naula tai paperiliitin kevyesti kosketukseen nauhan kanssa muutaman sekunnin ajan.

6. Pysäytä tallennus.

7. Toista suurin nopeus.

8. Tarkastele ääntä ja laske kierrosluku.

Kun kosketamme nauhaa metallitapilla, haluamme vain tuskin koskettavan. Mitä lähemmäksi tuodaan tapin moottorin akselille, sitä enemmän teipin täytyy taipua sen ohittamiseksi ja sitä enemmän hidastamme tai otamme moottorista vauhtia. Jos nauhan ja metallitankin välinen kosketus on liian vaalea, tallennuksessa ei ehkä ole tarpeeksi äänenvoimakkuutta kertoa meille, milloin kosketus on muodostettu. Kierrosnopeuden laskeminen Audacityn äänestä (katso kuva ylhäällä)

Osa B

1. Lähennä ääntä, kunnes näet selvät piikit, joissa nasta koskettaa.

2. Napsauta huippua hiiren vasemmalla painikkeella ja pidä sitä painettuna liikuttamalla hiirtä niin, että valittu alue kattaa vähintään viisi huippua.

3. Laske piikkien määrä.

4. Käytä ikkunan alaosassa olevaa "Alku ja loppu" -näyttöä saadaksesi ajan, joka kului näiden huippujen/kierrosten esiintymiseen.

5. (huippujen määrä)/(aika sekunteina) = kierrosta sekunnissa

6. RPM = (kierrosta sekunnissa)*60

On tärkeää varmistaa, että moottorisi toimii tarvittavilla nopeuksilla, ennen kuin rakennat kotelon kyseiselle moottorille. Toistamme nopeustestin kalibrointia varten myöhemmin, kun osan A vaihe 7 poistetaan ja vaihe 3 korvataan millä tahansa testattavalla nopeudella.

Vaihe 3: Näyteistukka

Tämän rakenteen tärkein osa on näyteistukka. Alumiinitukille ystäväni (Gerry) käänsi sen sorvin päälle, sitten lanka napautettiin sopimaan moottoriini (keisarikierre minun tapauksessani). Jos moottorissa on ruuvikierre akselilla, istukan asentaminen on yksinkertaisesti ruuvattava se sisään valmistuksen jälkeen (linkki). Minusta tämä on helpompaa, vaikka on todennäköisempää, että istukka on asennettu. Jos käytät moottoria, jossa on sileä akseli, sinulla ei ole ongelmia kierteen "toiston" kanssa. Haasteena on, että akseli on joko liimattu tai vielä parempi, jos siinä on kiristysruuvi, joka kiristää sen akselille.

Jos sinulla on pääsy metallityösorviin ja joku osaa käyttää sitä, on parasta kääntää istukka. Jos moottorissasi on kierre, napauta lankaa istukan keskeltä. Sileällä akselilla varustetussa moottorissa sinun on käytettävä jotain ruuvin tapaista akselin sivua vasten ja pidettävä sitä paikallaan.

Yllä olevissa kuvissa näkyvä vaihtoehto on ottaa reikäsaha ja leikata levy porapuristimella. Napauta sen jälkeen nauhaa napauttamalla lankaa keskelle. Jos sinulla on pehmeää materiaalia, voit irrottaa sen veitsellä, kovemman materiaalin tapauksessa viila olisi sopiva. Reiän yläosa voidaan sitten täyttää epoksilla tai leikata metallilevystä epoksilla pinnalle.

TURVALLISUUS: Liiman/epoksin käyttöä istukassa ei suositella, koska jos liima epäonnistuu… minne istukka menee. Istukka pyörii suurella nopeudella käytön aikana, jolloin istukka ohuesta metallilevystä tekee potentiaalisesti leikkauslevyn. Suosittelen vähintään 5 mm paksun materiaalin käyttöä.

Vaihe 4: Rakenna moottorikiinnike - pohja ja jouset

Moottorikiinnikkeen tulee toimia kahdessa tarkoituksessa, pitää moottori paikallaan ja vaimentaa tärinää. Valmistamasi kiinnike on moottorikohtainen. Kuvailen mitä olen tehnyt antaakseni sinulle käsityksen siitä, miten voit tehdä oman. Joissakin moottoreissa on tuuletus sivulla, joten ole tietoinen siitä, missä tämä on, ja pidä se puhtaana jäähdytystä varten.

Pohja ja jouset Etsi raskas pohja, joka on riittävän suuri projektille. Löysin sopivan paksun betoniosan ja leikkasin sen sopivan kokoiseksi timanttikulmahiomaterällä. Betonilaattojen tai paksun metallilevyn pitäisi toimia yhtä hyvin. Jos voit, yritä löytää jotain, jota ei tarvitse leikata.

Betonin kivet vaikeuttavat poraamista ja toisinaan reiät ajautuvat sivulle. Joten porasin reikiä kierteitetyn tangon pohjaan ennen kuin merkitsin reiät moottorikoteloon (jos sinulla on helpompaa materiaalia, järjestyksellä ei ole väliä).

1. Poraa kierretangon reiät muurausporalla, jonka halkaisija on kierretangossa.

2. Käytä paljon suurempaa muurausporaa, kun haluat upottaa kierteitetyn tangon, aluslevyn ja mutterin pään, joka on pohjan alla.

3. Merkitse reiät moottoripesän lohkoon puusta kierretankoa varten tai paperille, jota käytetään myöhemmin mallina.

4. Katkaise kierretanko pituuteen, viilaa leikkuureuna ja tarkista, että lanka on edelleen hyvä. Aseta mutteri tankoon ennen leikkaamista. Kun tämä poistetaan, se voi korjata/kohdistaa langan, jos se ei ole liian vaurioitunut jälkeenpäin.

5. Vie tangot betonin läpi ja sen jälkeen aluslevy ja mutteri kummallekin puolelle.

6a. Jos löysit jouset, jotka olivat riittävän pitkiä ja jäykkiä tukemaan moottoria ja koteloa, voit sijoittaa ne ja paksu aluslevy. Paksua aluslevyä tarvitaan, koska ohut aluslevy voi jäädä kiinni lankaan. Voit tehdä omat aluslevyt poraamalla reiän sopivan metallikappaleen läpi ja viimeistelemällä reiän viilalla.

6b. Jos et halua käyttää jousia, voit käyttää sen sijaan mutteria ja aluslevyä, haittana on, että tämä ei vaimenna moottorin tärinää.

Vaihe 5: Rakenna moottorikiinnike - moottorikotelo

Moottorin kotelo tehtiin puristimen tapaan, männynpalat saranoitiin toisiinsa keskellä olevan ontelon ja mutterin ja pultin avulla sen kiinnittämiseksi. Asunnossani käytetty puu oli katkaistu katosta, jonka poikkileikkaus oli 38x228 mm.

1. Selvitä moottorillesi tarvitsemasi puun koko ja merkitse se palaksi kuten yllä olevan kuvan a kohdassa.

2. Merkitse reikä, joka ei ole pienempi kuin moottorin halkaisija, tarvitsemme vähän tilaa moottorin ja kotelon väliin jäävälle kuminauhalle. Kokoonpano on anteeksiantava reiän koosta puristimen kaltaisen asennuksen (sarana ja pultti) vuoksi.

3. Poraa ohjausreikä ja poraa reikä reikäsahalla. Reikäsaha, jota käytin, leikkaa vain noin 22 mm syviä sahauksia, joten porasin puolivälissä kummaltakin puolelta.

4. Merkitse ja poraa kierteetangon reiät, jotka tukevat moottorikoteloa. Niiden tulisi olla vähintään 1 mm paksumpia kuin kierretanko, jotta ne voivat liikkua vapaasti.

5. Kierrä sarana sisään yllä olevan kuvan (b) mukaisesti ja poista se. Tämä tehdään reikien tekemiseksi.

6. Leikkaa muoto kuten yllä olevassa valokuvassa (b), käytin taakse sahaa.

7. Muoto mahdollistaa pultin saranan vastapäätä. Poraa pultin reikä yllä olevan kuvan (c) mukaisesti. Reiän tulee olla noin 2 mm suurempi kuin pultti, jotta kokoonpano on helppo avata ja sulkea.

8. Leikkaa kappaleen pituudet edellä olevan valokuvan kohdan (d) mukaisesti ja ruuvaa sitten sarana takaisin sisään.

9. Kiedo moottori kuminauhalla ja aseta koteloon, sisäosa ja kiristä mutteri, pultti ja aluslevy pitämään kotelo kiinni, tee tämä tiukka mutta ei liian tiukka. Jos moottorissasi on tuuletus, varmista, ettet estä sen ilmavirtaa.

10. Aseta moottorin kotelo alustalle. Varmista, että jouset ovat paikoillaan ja aluslevy päällä. Aseta aluslaatta ja mutteri 3 kierretangolle moottorin pitämiseksi painettuna. Moottorin kotelon ja aluslevyn väliin voidaan sijoittaa ylimääräinen kumityyny tärinän vähentämiseksi.

11. Kiristä 3 mutteria vesivaa'alla ohjausta varten.

Vaihe 6: Rakenna moottorikiinnike - kammio

Kammion valmistukseen käytin läpinäkyvää jogurttiastiaa ja paksua muovilevyä.

1. Leikkaa veitsellä muoto säiliön pohjaan, josta saat istukan läpi (istukkaan, jota ei poisteta puhdistusta varten). Leikkasin diagonaalin säiliön pohjan poikki, jolloin jätän enemmän tilaa säiliön ohjaamiseksi istukan päälle ilman, että keskellä olevaa reikää suurennetaan.

2. Kiinnitä säiliö paikalleen teipillä säiliön ulkopuolelle. Mieluummin tämä kuin pysyvä asennus puhdistamisen helpottamiseksi.

3. Aseta paperipyyhe astian pohjalle nesteen imeyttämiseksi linkouksen aikana ja peitä kammio sitten alumiinifoliolla. Käytä tarvittaessa teippiä, jotta tämä ei kosketa akselia tai istukkaa. Tämä "sidos" on vaihdettava säännöllisesti. Kalvo kerää suurimman osan nesteestä ja paperipyyhe imee suurimman osan kalvon ohi.

Bonus: Käytettyäni kaksipuolista teippiä näytteiden kiinnittämisessä, otin Ossilalta vihjeen (heillä on laadukkaita laboratoriovälineitä) ja leikkasin vanhan luottokortin näytteilleni tyhjiöttömän/teipittömän kiinnityksen tekemiseksi.

Vaihe 7: Ohjauspiirin rakentaminen

Kun katsot yllä olevia kuvia, näet siistit piirikaaviot ja leipälevyn toteutuksen. Käytin erillisiä 12 V 500 mA: n virtalähteitä moottorille ja ohjauspiirille, koska moottorin nimellisteho on 500 mA. Jos sinulla on virtalähde, joka voi syöttää riittävästi virtaa molemmille, hyvä.

Vaiheittaisten vaiheiden sijaan katsotaan, mitä kukin osio tekee.

Ajanohjauspiiri kytkee linkouspäällystimen päälle ja pois päältä ja ohjaa, missä kahdesta vaiheesta/tilasta PWM -piiri on ja milloin vaihtaa.

Tämä tehdään kytkemällä virta 2 releelle MOSFET -transistoreiden kautta. SPST -rele ohjaa päälle ja pois päältä ja DPDT -rele ohjaa, mikä kahdesta potista asettaa PWM -piirin toimintajakson.

PWM -piiri on yksinkertaisesti NE555 -ajastin epävakaassa käytössä. Käyttöjakso ohjataan kattiloilla, joissa asetetun vastuksen suhde potin arvoon on käyttöjakso (katso kaavion "nopeudenvalitsimen lohko").

Maksu:

MOSFET -laitteita käytetään, koska ne mahdollistavat voimansiirron laiminlyövän virran vaihtamisen porttiliittimen kautta. Tämän avulla voimme tallentaa varauksen kondensaattoreihin MOSFETS -virtalähteiden syöttämiseksi, jotka puolestaan käyttävät releitä. Kondensaattoreiden lataamiseen käytetään hetkellistä kosketuspainiketta. Hetkekoskettimen ja kondensaattoreiden välissä käytetään diodeja estämään virran kulkeutuminen kondensaattorista toiseen.

Purkaa:

Periaate kahden vaiheen ajan säätämiseksi on kondensaattoreiden purkaus vastuksen kautta. Tämä vastus asetetaan kattiloilla, mitä suurempi vastus, sitä hitaampi purkaus. Tämä ideaalisesti seuraa τ = RC, jossa τ on jakso tai aika, R on vastus ja C on kapasitanssi.

Käytetyssä aikapiirissä on 2 x 500K kaksoisastiaa, mikä tarkoittaa, että jokaiselle potille on 2 terminaalisarjaa. Hyödynnämme tätä kytkemällä toinen kattila sarjaan itsensä kanssa ja sarjaan yhdellä ensimmäisistä kattiloista. Tällä tavalla, kun asetamme resistanssin ensimmäiselle potille, se lisää vastaavan vastuksen toiseen. Ensimmäinen potti on rajoitettu 500K, kun toinen johdotetaan, sen vastus on jopa 1000K plus ensimmäisen potin arvo. Vähimmäisvastuksen sisällyttämiseksi lisäsin edelleen kiinteän arvon vastuksen jokaiseen linjaan piirikaavion mukaisesti.

Vaihe 8: Kalibrointi ja testaus

Kun linkouspäällystin oli valmis, jatkoin sen testaamista. Yllä olevassa kuvassa näytteistä on näyte (hybridi-perovskiitti), joka on valmistettu kalliilla linkouslaitteella vasemmalla ja tässä ohjeessa kuvattu linkouspäällystin oikealla. Nämä linkouspäällystimet asetettiin samaan nopeuteen.

Linkouspäällystin voidaan kalibroida joko jännitettä tai nopeusastian asentoa vastaan. Kalibroin aluksi jännitteellä ja merkitsin useimmin käyttämäni nopeudet/asemat kattiloihin.

Kun kalibroin jännitteellä, en ole varma, lukevatko eri yleismittarit PWM -signaalin samalla jännitteellä, joten käytän aina samaa yleismittaria, jolla kalibroin, jos minun on asetettava linkouspäällyste nopeudelle, johon ei liity mitään merkintä. Jännite luettiin moottoriin syötetystä ulostulosta. Yleismittaria ei liitetty nopeuden mittauksen aikana, jotta vältettäisiin mahdollisuus, että yleismittari alentaa moottoriin syötettyä virtaa.

1. Nopeustestausta käsittelevässä osassa prosessin nopeustesti oli yksityiskohtainen. Toista tämä prosessi nopeuden säätöruukkujen eri kohdissa, kokeile sisällyttää ne nopeudet, joilla aiot käyttää linkouspäällystintä, sekä minimi- ja enimmäisnopeudet. Noin 5 mittausta riittää. Kirjaa kullekin nopeudelle sijainti ja/tai jännite.

2. Laita kalibrointinopeudet ja -jännitteet Microsoft Exceliin ja piirrä sitten kaavio

3. Lisää trendiviiva tietoihisi. Käytä yksinkertaisinta sovitusta, joka selittää datatrendin, mieluiten lineaarista tai toisen kertaluvun polynomia.

3a. Voit tehdä tämän Excelissä valitsemalla piirretyn kaavion ja siirtymällä Asetukset -valintanauhan asetteluvälilehteen

3b. Napsauta "Trendline" -kuvaketta.

3c. Valitse "lisää trendilinjan vaihtoehtoja"

3d. Valitse vaihtoehto ja valitse "Näytä yhtälö kaaviossa" ja "Näytä R-neliöarvo kaaviossa"

Toivottavasti sinulla on hyvä istuvuus, nyt voit käyttää yhtälöä laskeaksesi kierrosluvun moottorille syötetystä jännitteestä.

Koska ja lukija on todennäköisesti tiedemies …

Pipettitekniikka: Videossa käytin mikropipettiä kulmassa, mikä auttoi minua pitämään käteni pois videosta. Ihannetapauksessa pipetin tulisi olla pystysuorassa ja niin lähellä näytettä/alustaa koskematta siihen, kuin voit toistaa luotettavasti.

Kalvon laatu: Jotkut kuvan kerrostettujen ohutkalvojen ominaisuuksista voidaan välttää suodattamalla edeltäjäliuokset ennen käyttöä (kuten käyttämällä 33 um PTFE -suodatinta). "Upeasta" linkouspäällystimestä näkyvä vaaleampi kalvon väri voi johtua rampinopeudesta ja tunnelmasta. "Hieno" linkouspäällystin valmistettiin toimimaan vain suurella inerttikaasuvirralla, koska kalvot kehruu päällystettiin typellä "hienolla" linkouspäällystimellä ja ilmaa DIY -linkouspäällystimellä.

Vaihe 9: Kuittaukset

Tämä lyhyt osa antaa kontekstin siitä, missä opiskelen ja ryhmät, jotka tukevat tutkimustani, joka keskittyy hybridi-perovskiitti-aurinkosähköön.

• Witwatersrandin yliopisto, Etelä -Afrikka
• National Research Foundation (NRF), Etelä -Afrikka
• GCRF-START. Iso -Britannia
• Gerry (joka koneisti alumiinisen spin -päällystysistukan)