Результаты разработки и изготовления экспериментальной установки для проведения полиионной сборки тонких пленок на поверхности твердой подложки. Использование метода послойного наплавления FDM для изготовления механических элементов данной установки.
При низкой оригинальности работы "Использование современных методов конструирования экспериментальных приборов при разработке установки для полиионной сборки тонких пленок", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Метод полиионной сборки состоит в последовательной адсорбции из водного раствора на твердую подложку положительно или отрицательно заряженных молекул полимеров полиэлектролитного типа, образующих заряженные адгезионные монослои [3]. предыдущего раствора. Первоначально производится опускание подложки в раствор с заряженными молекулами и выдерживание подложки в растворе заданное время. После этого производится опускание подложки в раствор с молекулами, заряженными противоположно относительно молекул. Однако, в связи с небольшим выбором установок по полиионной сборке выпускаемых различными производителями и дорогой их ценой нами было принято решение самостоятельно разработать и изготовить такое экспериментальное оборудование. Поднятие и опускание образца по оси Z обеспечивает шаговый двигатель NEMA17 с закрепленной на валу зубчатой шестерней, соединенной с подвижной зубчатой рейкой.В настоящее время существует ограниченное количество установок для полиионной сборки тонких пленок. Цена установок достаточно высокая, поэтому экономически целесообразно спроектировать и изготовить установку самостоятельно.
Введение
В настоящее время появляется все большее количество различных устройств, в которых основным функциональным элементом является тонкая органическая или неорганическая пленка [1, 2]. Существует большое количество методов получения тонких пленок. Использование того или иного метода зависит от физико-химических свойств вещества, геометрии и природы подложки, скорости производства и материальных затрат. Наиболее перспективным подходом при создании наноразмерных слоев органических и неорганических соединений является использование принципа самоорганизации их молекул на поверхности раздела фаз [3]. Примерами практического использования указанных принципов являются методы Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) и полиионной сборки [3-5].
Метод полиионной сборки состоит в последовательной адсорбции из водного раствора на твердую подложку положительно или отрицательно заряженных молекул полимеров полиэлектролитного типа, образующих заряженные адгезионные монослои [3]. предыдущего раствора. Для формирования пленки необходимой толщины процесс повторяется многократно. Перспективность данного метода подтверждается использованием его для создания элементов молекулярной электроники [6] и для изготовлении стекол с гидрофобными свойствами [7].
Для реализации полиионной сборки необходим ряд открытых сосудов содержащих растворы с положительно и отрицательно заряженных молекул. Формирование пленки на поверхности твердой подложки производится выполнение ряда последовательных операций. Первоначально производится опускание подложки в раствор с заряженными молекулами и выдерживание подложки в растворе заданное время. Затем производится извлечение подложки из раствора и ее высушивание. После этого производится опускание подложки в раствор с молекулами, заряженными противоположно относительно молекул. В связи с длительностью и монотонностью процесса полиионной сборки обычно производится автоматизация процесса сборки пленок. Однако, в связи с небольшим выбором установок по полиионной сборке выпускаемых различными производителями и дорогой их ценой нами было принято решение самостоятельно разработать и изготовить такое экспериментальное оборудование.
Цель работы заключается в создании экспериментальной установки для полиионной сборки тонких пленок. Для ускорения процесса разработки и повышения качества основных функциональных элементов были использованы современных методы разработки механических и электронных компонентов экспериментального оборудования.
Обсуждение результатов
Установка позволяет проводить сорбции ионов в разных растворах находящихся в 6 ячейках поворотной платформы в строго заданном временном интервале. Так же имеется возможность подачи стабилизированного напряжения на погружаемый образец в диапазоне от 0 до 5 В с разрешением 0,1 В.
В состав установки входят: 1) Поворотная платформа с 6 ячейками для растворов;
2) Шаговый двигатель для поворота платформы;
3) Устройство с шаговым двигателем для погружения обрабатываемого образца (ось Z);
4) Г-образной крепежной вертикальной оси (ось Z);
5) Т-образного крепления основания;
6) Платы управления (не изображена);
7) Клипсы с электродами для закрепления обрабатываемого образца.
Поднятие и опускание образца по оси Z обеспечивает шаговый двигатель NEMA17 с закрепленной на валу зубчатой шестерней, соединенной с подвижной зубчатой рейкой. Форма зубьев шестерни и рейки обеспечивает надежное эвольвентное зацепление. Все необходимые механические детали напечатаны из ABS пластика на 3D принтере.
Шестерня и все детали распечатана на 3D принтере методом FDM. Метод послойного наплавления FDM (англ. Fused deposition modeling (FDM)) предназначен для аддитивного производства моделей спроектированных в специализированном программном обеспечении для механического трехмерного проектирования (CAD системы) [8].
Для создание трехмерных объектов происходит послойное нанесение последовательных слоев материала формирующего объем изготавливаемого объекта. В качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков. Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и вышла на коммерческий рынок в 1990 году [9]. Точность деталей установки после печати на 3D принтере составила ± 0,1мм. Точность печати определялась с помощью калибровочных моделей [10].
Установка состоит из следующих функциональных блоков: 1) Основной платы управления построенной на микроконтроллере STM32;
2) Три канала АЦП;
3) Микросхемы памяти EEPROM (опционально);
4) Периферийных цифровых интерфейсов;
5) Микросхемы ЦАП;
6) Двух специализированных драйверов шагового двигателя;
7) Двух шаговых двигателей NEMA17 для поворотной платформы и оси Z;
8) Персонального компьютера.
Управление исполнительными элементами и обмен данными с персональным компьютером происходит при использовании микроконтроллера фирмы STMICROELECTRONICS STM32F103CBT6. Микроконтроллер STM32F103CBT6 имеет 37 цифровых линий ввода-вывода. Программное обеспечение микроконтроллера STM32F103CBT6 разработано в среде программирования Keil UVISION4 на языке программирования Си.
Для питания установки на разъем P1, через выключатель S1, подается стабилизированное напряжение 12 В от блока питания. Минимальный ток блока питания, необходимый для корректной работы установки, составляет 500 МА. Микросхема U4 - стабилизатор напряжения 3,3В требуется для питания микроконтроллера U1 и логики драйверов U2 и U3. Для передачи данных в ПК используется USB интерфейс. Транзистор Q1 обеспечивает подтяжку USB линии D до уровня лог.1, после инициализации программного обеспечения контроллера. Подтяжка необходима в соответствии со спецификой работы шины USB.
Микросхемы U2 и U3 являются цифровыми драйверами шаговых двигателей для поворотной платформы и оси Z. Для управления двигателями необходимо установить лог. 0 на выводе ENABLE микросхем U2, U3 для перевода микросхем во включенное состояние. Для выбора угла поворота оси двигателя на один шаг, необходимо установить перемычки на выводах MS1, MS2, MS3 Согласно таблице 1.
Таблица 1. Варианты шага двигателя NEMA17
MS1 MS2 MS3 Угол поворота оси двигателя на один шаг лог. 0 лог.0 лог.0 1,8? лог.1 лог.0 лог.0 1,8? /2 лог.0 лог.1 лог.0 1,8? /4 лог.1 лог.1 лог.0 1,8? /8 лог.1 лог.1 лог.1 1,8? /16
Двигатель NEMA17 способен обеспечить разрешение 1,8 градуса на шаг (при полном шаге). Для достижения требуемой точности используется шаг двигателя 1,8? /16. Исходя из этого на выводах MS1, MS2, MS3 установлена логическая 1. Для поднятия и опускания твердой подложки и для вращения поворотной платформы в обоих направлениях используется цифровой вход DIR (необходим для установки направления вращения двигателя лог.0 или лог.1).
Для управления шаговыми двигателями микроконтроллер передает импульсы минимальной длительностью 1 мкс на вывод STEP драйвера шагового двигателя (микросхемы U2, U3). Количество импульсов соответствует количеству шагов, необходимых для поворота на заданный угол вала двигателя.
В таблице 2 показано функциональное назначение портов.
Таблица 2. Назначение портов установки
Порт Назначение
J1 Порт USB-mini для подключения к компьютеру
P1 Питание 12В
P2, P4 Разъем для подключения шаговых двигателей
P3 Порты программирования микроконтроллера
P5 Цифровой интерфейс I2C
P6 Цифровой интерфейс USART
P7 Цифровой интерфейс SPI
P8 3 канала АЦП
P9 3 дополнительных цифровых линии ввода-вывода
P10 Датчик на эффекте Холла (для поворотной платформы)
P11 Концевой выключатель (для ограничения оси Z)
При первоначальном включении питания установка микроконтроллер переходит в режим ожидания команд с ПК. Алгоритм управления установкой осуществляется посредством компьютера в специализированной программе, написанной на языке графического программирования LABVIEW. Назначение микроконтроллера состоит в распределении команд по функциональным блокам установки.
В главном окне управления установкой пользователь задает алгоритм работы установки и его временные характеристики. В поле "Ячейка и время" задается номер ячейки и время выдержки. Расписание ячеек и времени отображается в таблице.
Далее необходимо закрепить на оси Z обрабатываемый образец. Налить соответствующие растворы в сосуды. Далее, пользователю необходимо нажать на кнопку "Начальные точки", для установки в начальные точки поворотную платформу и ось Z. Двигатель начинает подъем подложки до срабатывания концевого выключателя. После завершения подъема, происходит вращение поворотной платформы до срабатывания бесконтактного датчика Холла положения начальной точки. Запуск установки происходит по нажатию кнопки "Начать процесс". Процесс полиионной сборки тонких пленок на поверхности подложки происходит в автоматическом режиме без участия пользователя.
Вывод
В настоящее время существует ограниченное количество установок для полиионной сборки тонких пленок. Цена установок достаточно высокая, поэтому экономически целесообразно спроектировать и изготовить установку самостоятельно. Технические характеристики установки подбираются индивидуально под необходимые задачи. В работе приведены результаты разработки автоматизированной установки для получения тонких пленок на твердой поверхности методом полиионной сборки. Использование современных методов разработки и современной электронной элементной базы позволило изготовить механическую часть установки и изготовить установку с малыми массо-габаритными характеристиками. Аналогичные принципы могут быть использованы и при разработке других видов оборудования.
Список литературы
1. Zribi A., Fortin J. Functional thin films and nanostructures for sensors. Springer, 2009. - 223 p.
2. Hamakawa Yo. Thin-film solar cells. Next generation photovoltaics and its applications. New York, Springer, 2004. - 258 p.
3. Ященок А.М. Формирование наноразмерных покрытий методами полиионной сборки и Ленгмюра-Блоджетт и исследование их электрофизических свойств: автореф. канд. физмат. наук: 20.05.07. - Саратов: СГУ, 2007. - 16 с.
4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979. - 161 с.
