Spin Coater V1 (hampir Analog): 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:07

Tidak semua peralatan dibuat tahan lama, saya adalah pelajar / penyelidik yang mempelajari bahan filem nipis untuk teknologi solar. Sekali peralatan yang saya bergantung dipanggil spin coater. Ini adalah alat yang digunakan untuk membuat filem nipis dari bahan dari larutan cair atau pendahulunya. Filem nipis ini boleh dilapisi ke dalam peranti seperti sel panel solar atau LED.

Di universiti saya mempunyai banyak masalah dengan produk komersial yang lebih berpatutan yang boleh didapati dengan harga yang setara dengan beberapa ribu dolar. Coater spin komersial ini menggunakan chuck vakum untuk menahan sampel dan masalah yang mereka hadapi termasuk motor yang disita, chuck vakum yang tersumbat, kapasitor merokok antara lain yang mempengaruhi maklum balas yang bergantung pada kawalan kelajuan. Saya tidak mengetahui masalah yang dihadapi oleh setiap kumpulan penyelidikan, tetapi saya tahu pada umumnya ada sekurang-kurangnya ada yang dapat diperbaiki, atau menunggu untuk diperbaiki pada waktu tertentu.

Reka bentuk yang saya kongsikan itu ringkas, pada mulanya ia menggunakan pita dua sisi dan bukannya penyedot vakum untuk memegang sampel, ini kemudian dikemas kini kepada reka bentuk yang lebih mudah digunakan (lihat Langkah 6). Telah beroperasi selama lebih dari setahun dengan penggunaan ringan. Tidak ada masalah selain relay yang usang (ini bukan geganti baru semasa dipasang).

Projek ini kebanyakannya dibuat dari bahagian yang dijumpai seperti motor dengan nilai semasa 1 "leer" (500 mA), konkrit, kayu pembinaan dan beberapa komponen elektronik yang diselamatkan.

Bekalan

Saya mengharapkan ada yang mencuba projek ini untuk membuat variasi, jadi ini adalah senarai yang tidak lengkap mengenai apa yang diperlukan untuk projek ini.

Teras:

Motor DC mampu tidak kurang dari 4000 rpm

Chuck dibuat untuk motor yang dipilih (dibincangkan kemudian)

Dewan:

Bak plastik bulat (saya menggunakan tab mandi yoghurt)

Plastik tebal atau alternatif untuk melapisi bahagian bawah tab mandi

Tuala kertas

Pita

Gunung:

potongan pinus 38x228 mm (biasanya digunakan untuk kasau di bumbung)

Engsel panjang 30mm

Getah atau busa keras (pemasangan motor)

M6 selak dengan pemacu skru kepala yang sesuai

Kacang M6

Mesin basuh 6 mm

Pangkalan dan penggantungan:

Pangkalan berat (saya menggunakan blok konkrit yang dipotong mengikut ukuran)

Bar berulir M6

Kacang 9x M6 untuk bar berulir

3x Mata air panjang diameter 8 mm

Pencuci 12x 6 mm

Asas kawalan:

Kotak projek (Saya menggunakan tab ais krim, ini adalah alasan yang baik untuk makan ais krim)

Bekalan kuasa 12V (saya menggunakan 2 supaya motor berada pada sumber yang berasingan)

1x diod penerus untuk motor

Pemasa 2 peringkat:

MOSFET 2-saluran n (seperti IRF540)

2x 47 uF cap aluminium 35V

2x B500k pot dua kali slaid

Perintang 200K

Perintang 10K

Diod penerus 2x untuk geganti

Kenalan sesaat butang tekan

Relay SPST (permulaan / berhenti pemasa)

Relay DPDT (pemasa kelajuan 1 / kelajuan 2 peralihan)

Litar PWM:

Pemasa 1x NE555

Perintang 1x 1k

Kapasitor 2x 10nC

1x n-channel MOSFET (seperti IRF540)

Heatsink 1x untuk MOSFET

Mesin pencuci silikon penebat 1x untuk heatsink

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

2x 10k periuk (kitaran tugas)

1x diod penerus untuk geganti

Ujian kelajuan motor:

Ideal:

takometer optik.

Alternatif:

Pita

Kawat nipis seperti objek keras (mis. Wayar, tusuk gigi, klip kertas)

Komputer dengan "Audacity" dipasang

Langkah 1: Adakah Anda Mempunyai Motor yang Sesuai?

Sebilangan besar pelapis putaran perlu bekerja dalam julat kelajuan 500 hingga 6000 rpm. Kerja saya memerlukan 2000 dan 4000 rpm sebagai kelajuan import yang paling banyak, jadi saya dapat melakukan dengan motor DC yang saya miliki di sekitar yang bekerja di kisaran 1100 hingga 4500 rpm, motor saya dapat berjalan lebih perlahan walaupun kecepatan yang lebih lambat kurang dapat dipercayai kerana rintangan pada motor.

Cari motor dan bekalan kuasa yang sesuai jika anda mempunyai motor 12 V. Padankan voltan yang diperlukan oleh motor anda dan arus bekalan kuasa idealnya 20% lebih tinggi daripada yang diperlukan oleh motor. Sekiranya anda mempunyai motor 24 V, anda memerlukan penukar turun atau bekalan kuasa yang berasingan untuk menyediakan 12 V untuk elektronik.

Seterusnya kami ingin menguji kelajuan minimum dan maksimum yang dapat ditampung oleh motor anda. Sekiranya anda mempunyai bekalan kuasa dengan voltan yang boleh dipilih / boleh laras gunakan, jika tidak membina litar PWM yang ditunjukkan dalam litar kawalan lebih jauh pada (atau litar kawalan penuh).

Langkah 2: Ujian Kelajuan

Tachometer optik adalah alat yang bagus untuk menguji kelajuan motor jika anda dapat menggunakan satu, di sini saya mengemukakan kaedah alternatif.

Bahagian A

1. Siapkan komputer untuk merakam audio dengan "Audacity" yang merupakan penyunting audio percuma.

2. Balut pita di sekitar batang motor anda (pita elektrik atau pelekat akan berfungsi dengan baik).

3. Tetapkan motor ke kelajuan terendah yang dapat dikendalikannya.

4. Mulakan rakaman audio.

5. Seperti dalam video untuk bahagian ini, bawa pin logam, paku atau klip kertas bersentuhan dengan pita selama beberapa saat.

6. Hentikan rakaman.

7. Ulangi untuk kelajuan maksimum.

8. Lihat audio dan buat RPM.

Apabila kita menghubungi pita dengan pin logam, kita mahu ia hanya menyentuh. Semakin dekat anda membawa pin ke poros motor, semakin banyak pita yang harus dibengkokkan untuk melaluinya dan semakin lama kita melambatkan atau mengambil momentum dari motor. Sekiranya hubungan antara pita dan pin logam terlalu ringan, kami mungkin tidak mendapat jumlah yang cukup dalam rakaman untuk memberitahu kami ketika hubungan dibuat. Untuk mengira RPM dari audio di Audacity (lihat gambar di bahagian atas)

Bahagian B

1. Zum ke audio sehingga anda dapat melihat puncak yang berbeza di mana pin bersentuhan.

2. Klik kiri pada puncak dan tahan, gerakkan tetikus sehingga kawasan yang dipilih meliputi sekurang-kurangnya 5 puncak.

3. Hitung bilangan puncak.

4. Gunakan paparan waktu "Mula dan Akhir bahagian" di bahagian bawah tetingkap untuk mendapatkan masa yang diperlukan agar puncak / putaran itu berlaku.

5. (bilangan puncak) / (masa dalam detik) = putaran sesaat

6. RPM = (putaran sesaat) * 60

Penting untuk memastikan motor anda dapat berfungsi pada kelajuan yang anda perlukan sebelum membina penutup motor tersebut. Kami akan mengulangi ujian kelajuan pada akhir untuk penentukuran yang kemudiannya melangkahi langkah 7 bahagian A dan menggantikan langkah 3 dengan kelajuan apa pun yang kami uji.

Langkah 3: Contoh Chuck

Bahagian yang paling penting dalam binaan ini adalah chuck sampel. Untuk chuck aluminium, seorang rakan saya (Gerry) menghidupkannya pada mesin bubut, kemudian benang diketuk untuk dimasukkan ke dalam motor khusus saya (benang imperial dalam kes saya). Untuk motor dengan benang skru pada poros, memasang chuck hanya memasangnya setelah dibuat (pautan). Saya rasa ini lebih mudah walaupun terdapat kemungkinan penekanan yang dipasang pada chuck. Sekiranya anda menggunakan motor dengan poros halus, anda tidak akan menghadapi masalah dengan "bermain" di utas. Cabarannya di sini ialah poros perlu dilekatkan atau lebih baik mempunyai skru grub untuk mengetatkannya ke batang.

Sekiranya anda mempunyai akses ke mesin bubut logam dan seseorang yang mahir menggunakannya, sebaiknya putar ketulan. Sekiranya motor anda mempunyai benang, ketuk benang di bahagian tengah chuck. Untuk motor dengan poros licin, anda perlu menggunakan sesuatu seperti skru grub untuk menekan ke sisi poros dan menahannya di tempat.

Alternatif yang ditunjukkan dalam gambar di atas adalah dengan mengambil gergaji lubang dan memotong cakera menggunakan gerudi. Selepas itu gunakan ketuk untuk memasukkan benang ke tengah. Sekiranya anda mempunyai bahan yang lembut, anda boleh mengeluarkan burrnya menggunakan pisau, kerana bahan yang lebih keras failnya sesuai. Bahagian atas lubang kemudian boleh diisi dengan epoksi atau potongan dari kepingan logam boleh menjadi epoksi ke permukaan.

KESELAMATAN: Penggunaan gam / epoksi pada chuck tidak digalakkan kerana sekiranya gam gagal… ke mana perginya chuck. Chuck akan berputar pada kelajuan tinggi semasa digunakan, menjadikan chuck dari plat logam nipis berpotensi mengubahnya menjadi cakera pemotong. Saya cadangkan menggunakan bahan setebal tidak kurang dari 5 mm.

Langkah 4: Bina Motor Mount - Base dan Springs

Pemasangan motor harus berfungsi untuk 2 tujuan, menjaga motor di tempat dan melembapkan getaran. Pemasangan yang anda buat akan khusus untuk motor anda. Saya akan menerangkan apa yang telah saya lakukan untuk memberi anda idea bagaimana membuat sendiri. Beberapa motor mempunyai ventilasi di sisi, jadi berhati-hatilah di mana ini dan pastikan ia bersih untuk penyejukan.

Pangkalan dan mata air Cari asas pangkalan yang cukup besar untuk projek. Saya menemui bahagian konkrit dengan ketebalan yang sesuai dan memotongnya dengan ukuran menggunakan pisau penggiling sudut berlian. Penurap konkrit atau plat logam tebal juga harus berfungsi. Sekiranya boleh, cuba cari sesuatu yang tidak perlu dipotong.

Batu-batu dari konkrit menyukarkan penggerudian dan kadang-kadang bermaksud lubang akan melayang ke sisi. Oleh itu, saya menggerudi lubang di alas untuk batang berulir sebelum menandakan lubang pada perumahan motor (jika anda mempunyai bahan yang lebih baik, pesanan tidak akan menjadi masalah).

1. Bor lubang untuk batang berulir dengan gerudi batu bit diameter batang berulir.

2. Gunakan bit gerudi batu yang jauh lebih besar untuk mengatasi sinki hujung bar, mesin basuh dan kacang yang berulir yang akan berada di bawah pangkal.

3. Tandakan lubang pada blok perumahan motor dari kayu untuk batang berulir atau pada sehelai kertas untuk digunakan kemudian sebagai templat.

4. Potong batang berulir hingga panjang, pasangkan tepi potong dan periksa benang masih bagus. Letakkan kacang di bar sebelum memotong. Apabila ini dihapus perbaiki ia dapat memperbaiki / menyelaraskan benang, jika tidak terlalu rusak setelahnya.

5. Letakkan palang melalui konkrit diikuti dengan mesin basuh dan mur pada setiap sisi.

6a. Sekiranya anda berjaya menemui mata air yang panjang dan cukup kaku untuk menyokong motor dan perumahan, anda boleh meletakkannya disusuli dengan mesin basuh tebal. Mesin cuci tebal diperlukan kerana mesin basuh nipis mungkin tersangkut di dalam benang. Anda boleh membuat mesin basuh sendiri dengan menggerudi lubang melalui sekeping logam yang sesuai dan menyelesaikan lubang dengan fail.

6b. Sekiranya anda memilih untuk tidak menggunakan mata air, kacang dan mesin basuh boleh digunakan sebagai gantinya, kelemahannya ialah ini tidak akan dapat mengurangkan getaran motor.

Langkah 5: Bina Motor Mount - Motor Housing

Perumahan motor dibuat seperti penjepit, kepingan pinus diikat bersama dengan rongga di tengah dan mur dan baut untuk mengikatnya padat. Kayu yang digunakan untuk perumahan saya adalah potongan dari kasau dengan keratan rentas 38x228 mm.

1. Ketahui ukuran kayu yang anda perlukan untuk motor anda dan tandakan seperti pada (a) foto di atas.

2. Tandakan lubang tidak lebih kecil daripada diameter motor anda, kami memerlukan sedikit ruang untuk jalur getah yang akan berada di antara motor dan perumahan. Pemasangannya memaafkan pada ukuran lubang kerana penjepit seperti pemasangan (engsel dan bolt).

3. Bor lubang pilot kemudian gerudi lubang menggunakan gergaji lubang. Lubang gergaji yang saya gunakan hanya memotong sekitar 22 mm sehingga saya menggerudi setengah jalan dari setiap sisi.

4. Tandakan dan gerudi lubang untuk bar berulir yang akan menyokong perumahan motor. Ini hendaklah setebal sekurang-kurangnya 1 mm daripada batang berulir untuk membolehkan pergerakan bebas.

5. Skru engsel seperti pada (b) pada foto di atas, kemudian lepaskan. Ini untuk membuat lubang.

6. Potong bentuk seperti di (b) foto di atas, saya menggunakan gambar belakang.

7. Bentuknya membolehkan kita mempunyai bolt yang bertentangan dengan engsel. Bor lubang untuk baut seperti yang ditunjukkan dalam (c) foto di atas. Lubang hendaklah kira-kira 2 mm lebih besar daripada baut untuk memudahkan pembukaan dan penutupan pemasangan.

8. Potong kepingan panjang seperti di (d) foto di atas kemudian pasangkan engselnya kembali.

9. Balut motor dengan jalur getah dan letakkan di perumahan, sisipkan dan ketatkan mur, bolt dan mesin basuh untuk menahan perumahan tertutup, buat ini kukuh tetapi tidak terlalu ketat. Sekiranya motor anda mempunyai pengudaraan di sebelahnya, pastikan anda tidak menyekat aliran udara.

10. Letakkan perumahan motor di pangkalan. Pastikan mata air berada di tempat dengan mesin basuh di atas. Letakkan mesin basuh dan mur pada 3 batang berulir untuk menahan motor. Pad getah tambahan boleh diletakkan di antara perumahan motor dan mesin basuh di atas untuk mengurangkan getaran dengan lebih baik.

11. Kencangkan 3 kacang menggunakan tahap semangat untuk panduan.

Langkah 6: Bina Motor Mount - Chamber

Untuk membuat ruang itu saya menggunakan tab mandi yoghurt lutsinar dan kepingan plastik tebal.

1. Gunakan pisau untuk memotong bentuk di dasar bekas yang boleh anda gunakan untuk melepaskannya (untuk ketulan yang tidak akan dikeluarkan untuk dibersihkan). Saya memotong pepenjuru di pangkal bekas yang membolehkan lebih banyak ruang untuk menggerakkan bekas agar dapat dipasang di atas chuck tanpa membesarkan lubang di bahagian tengahnya.

2. Betulkan bekas di tempatnya dengan sedikit pita di bahagian luar bekas. Saya lebih suka ini untuk pemasangan tetap untuk pembersihan yang lebih mudah.

3. Letakkan beberapa tuala kertas di bahagian bawah bekas untuk menyerap cecair semasa lapisan berputar, ikuti dengan menutup ruang dalam aluminium foil. Gunakan sedikit pita di mana diperlukan untuk menjauhkannya dari aci atau ketulan. "Berpakaian" ini harus diubah secara berkala. Kerajang menangkap sebahagian besar cecair dan tuala kertas menyerap sebahagian besar apa yang melewati kerajang.

Bonus: Setelah menggunakan kaedah pita dua sisi untuk melampirkan sampel, saya mengambil petunjuk dari Ossila (Mereka mempunyai beberapa peralatan makmal berkualiti) dan memotong kad kredit lama untuk membuat pemasangan tanpa vakum / tanpa pita untuk sampel saya.

Langkah 7: Membina Litar Kawalan

Melihat gambar di atas anda akan melihat gambarajah litar yang kemas dan pelaksanaan papan roti. Saya menggunakan bekalan kuasa 12V 500mA yang berasingan untuk motor dan litar kawalan kerana motor dinilai untuk 500mA, secara umum lebih baik mempunyai kapasiti tambahan 20% pada bekalan kuasa anda. Sekiranya anda mempunyai bekalan kuasa yang dapat membekalkan arus yang mencukupi untuk kedua-duanya, hebat.

Daripada langkah demi langkah bagaimana, mari kita lihat apa yang dilakukan oleh setiap bahagian.

Litar kawalan masa menghidupkan dan mematikan pelindung putaran, dan mengawal mana dari 2 peringkat / menyatakan litar PWM berada dan kapan hendak beralih.

Ini dilakukan dengan menghidupkan 2 relay walaupun transistor MOSFET. Relay SPST mengawal dan mematikan, dan geganti DPDT mengawal yang mana dari dua pasu mengatur kitaran tugas litar PWM.

Litar PWM hanyalah pemasa NE555 dalam operasi astable. Kitaran tugas dikendalikan oleh pot, di mana nisbah rintangan yang ditetapkan terhadap nilai pot adalah kitaran tugas (lihat "blok pemilih kelajuan" dalam skema).

Bayaran:

MOSFET digunakan kerana mereka membenarkan pertukaran arus daya yang boleh diabaikan melalui terminal gerbang mereka. Ini membolehkan kita menyimpan cas dalam kapasitor untuk menghidupkan MOSFETS yang seterusnya menggerakkan relay. Tombol tekan sesaat digunakan untuk mengisi kapasitor. Diod digunakan antara kenalan sesaat dan kapasitor untuk mengelakkan arus mengalir dari satu kapasitor ke kapasitor yang lain.

Pelepasan:

Prinsip untuk mengawal masa 2 peringkat adalah pelepasan kapasitor melalui rintangan. Rintangan ini ditetapkan oleh periuk, semakin tinggi rintangan semakin lambat pembuangan. Ini sesuai dengan τ = RC, di mana τ adalah tempoh atau masa, R adalah rintangan, dan C adalah kapasitansi.

Dalam litar masa yang digunakan terdapat 2 x 500K dual pot, ini bermaksud untuk setiap pot terdapat 2 set terminal. Kami memanfaatkannya dengan memasang kabel periuk kedua secara bersiri dan bersiri dengan salah satu set terminal periuk pertama. Dengan cara ini apabila kita menetapkan rintangan pada panci pertama, ia akan menambah ketahanan setara dengan yang kedua. Pot pertama terhad kepada 500K sementara cara kedua kabel, ia akan mempunyai daya tahan hingga 1000K ditambah nilai pot pertama. Untuk memasukkan rintangan minimum, saya menambahkan lagi perintang nilai tetap ke setiap garisan mengikut rajah litar.

Langkah 8: Penentukuran dan Pengujian

Setelah menyelesaikan spin coater saya terus mengujinya. Gambar sampel di atas mempunyai sampel (hybrid-perovskite) yang dibuat pada pelapis putaran yang mahal di sebelah kiri dan pelindung putaran yang dijelaskan dalam Petunjuk ini di sebelah kanan. Pelapis putaran ini ditetapkan pada kelajuan yang sama.

Coater putar boleh dikalibrasi sama ada melawan voltan atau melawan kedudukan periuk kelajuan anda. Pada mulanya saya dikalibrasi menggunakan voltan diikuti dengan menandakan kelajuan / kedudukan yang paling kerap saya gunakan di periuk.

Semasa menentukur dengan voltan, saya tidak pasti sama ada multimeter yang berbeza akan membaca isyarat PWM sebagai voltan yang sama, kerana ini saya selalu menggunakan multimeter yang sama yang saya kalibrasi dengan jika saya perlu mengatur pemutar putaran pada kelajuan yang tidak mempunyai kaitan menanda. Voltan dibaca pada output yang dimasukkan ke motor. Multimeter tidak dihubungkan semasa kecepatan diukur untuk mengelakkan kemungkinan multimeter mengurangkan arus yang dibekalkan ke motor.

1. Pada bahagian mengenai ujian kelajuan proses untuk ujian kelajuan diperincikan. Ulangi proses ini di pelbagai posisi pada periuk kawalan kelajuan, cuba sertakan kelajuan yang anda ingin gunakan pelindung putaran pada dan kecepatan minimum dan maksimum. Lebih kurang 5 ukuran mestilah mencukupi. Untuk setiap kelajuan catat kedudukan dan / atau voltan.

2. Masukkan kelajuan dan voltan penentukuran dalam Microsoft Excel, kemudian plotkan grafik

3. Tambahkan garis arah aliran ke data anda. Gunakan kesesuaian termudah yang akan menerangkan arah aliran data, idealnya polinomial urutan linear atau ke-2.

3a. Untuk melakukan ini di Excel, pilih grafik diplot anda, pergi ke tab susun atur di pita pilihan

3b. Klik pada ikon "Trendline".

3c. Pilih "lebih banyak pilihan garis trend"

3d. Pilih pilihan anda dan tandakan "Persamaan Paparan pada carta" dan "Paparkan nilai R-kuasa dua pada carta"

Semoga anda sesuai, sekarang anda boleh menggunakan persamaan untuk mengira RPM dari voltan yang dibekalkan ke motor.

Oleh kerana dan pembaca mungkin seorang saintis …

Teknik pipet: Dalam video saya menggunakan pipet mikro pada sudut, ini membantu saya menjauhkan tangan daripada video. Sebaiknya pipet mestilah tegak dan hampir dengan sampel / substrat tanpa menyentuhnya kerana anda boleh mengulanginya dengan pasti.

Kualiti filem: Sebilangan ciri dalam filem nipis yang tersimpan dalam gambar dapat dielakkan dengan menyaring larutan pendahuluan sebelum digunakan (seperti menggunakan penapis PTFE 33 um). Warna filem yang lebih ringan yang dilihat dari pelapis putaran "mewah" mungkin disebabkan oleh kadar ramping dan suasana. Coater putaran "mewah" dibuat hanya untuk beroperasi dengan aliran gas lengai yang tinggi kerana filem-filem tersebut dilapisi berputar dalam nitrogen pada pelapis putaran "mewah" dan udara di pelapis putaran DIY.

Langkah 9: Penghargaan

Bahagian ringkas ini untuk memberikan konteks tempat saya belajar dan kumpulan yang menyokong penyelidikan saya yang tertumpu pada fotovoltaik hibrid-perovskite.

• Universiti Witwatersrand, Afrika Selatan
• Yayasan Penyelidikan Nasional (NRF), Afrika Selatan
• GCRF-MULAI. UK
• Gerry (yang membuat mesin pelek berputar aluminium)