RU156478U1 - Автоматизированная установка для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания - Google Patents

Abstract

1. Автоматизированная установка для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания, содержащая держатель образца, выполненный с возможностью перемещения, сосуды для жидкостей для погружения в них образца, держатель сосудов с гнездами для линейного последовательного расположения сосудов и с возможностью термического воздействия на сосуды, блок управления и компьютер, отличающаяся тем, что держатель образца и сосуды для жидкостей выполнены из токопроводящего материала, каждое гнездо для расположения сосуда имеет корпус кольцеобразной формы, внутри которого размещен нагреватель, на каждый из сосудов закреплен съемный термодатчик, при этом под держателем сосудов расположен блок управления, с которым электрически связаны держатель образца, корпуса гнезд для расположения сосудов, нагреватели и съемные термодатчики.2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что токопроводящий материал держателя образца выбирают из ряда: графит, нержавеющая сталь, медь, алюминий.3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что токопроводящий материал сосудов для жидкостей выбирают из ряда: графит, нержавеющая сталь, алюминий.4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что вся конструкция установки, за исключением компьютера, находится в герметичном боксе с инертной средой.5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что перемещение держателя образца обеспечивают механизмы вертикального и горизонтального перемещений, каждый из которых состоит из направляющих, механизма "винт - гайка" и двигателя.

Description

Полезная модель относится к области нанотехнологий и предназначена для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания, а также полиионной сборки, например, для формирования различного рода оптических покрытий: отражающих, преломляющих, пропускающих определенный спектр волн, создание оптических фильтров, для формирования подзатворных диэлектрических слоев, для создания трибологических и антикоррозионных покрытий и т.д.

Известна установка (Патент RU №114880 «Автоматизированная установка для получения многослойных микроячеистых полиэлектролитных нанопокрытий с биологически активными материалами», МПК B05D1/36, B82B 1/00, опубл. 20.04.2012), содержащая перемещаемую относительно резервуаров с растворами полиэлектролитов платформу, на которой размещены держатели подложек, узел для нанесения микрокапсул, содержащий распределительные головки, по меньшей мере, один контейнер с эмульсией, содержащий микрокапсулы с биологически активными компонентами, резервуар с растворителем органоминеральных ядер микрокапсул. При этом резервуары с полиионными растворами, промывочным раствором и растворителем ядра микрокапсул и узел нанесения микрокапсул установлены на основании параллельно оси, вдоль которой перемещается платформа, в верхней части платформы над поверхностью резервуаров размещены поворотные оси, выполненные с возможностью их возвратно-поступательного вращения на угол от 0 до 360 градусов. На поворотных осях закреплены держатели с подложками. Распределительные головки закреплены неподвижно или с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль центральных осей подложек и размещены над рабочей поверхностью подложек при нанесения микрокапсул на подложки. Также установка снабжена системой для автоматического управления, содержащей компьютер.

Также известна установка (Патент RU №52657 «Автоматизированная установка для получения планарных наноразмерных слоев методом полиионной сборки», МПК H01L 21/00, опубл. 10.04.2006), содержащая держатель подложки, на которую наносятся слои, выполненный с возможностью перемещения, блок управления, сосуды для растворов различного состава для последовательного погружения в них подложки и держатель сосудов, который выполнен в виде барабана с гнездами для сосудов, вращающегося относительно держателя подложки, при этом держатель подложки перемещается вертикально относительно держателя сосудов. Для повышения качества наносимых слоев во время промывки и/или нанесения слоев, держатель сосудов может совершать возвратно-вращательные перемещения. Блок управления состоит из компьютера, соединенного с электронной схемой управления перемещением держателей.

В процессе работы таких установок на получаемое покрытие воздействует окружающая среда, а также на таких установках жидкости в сосудах используют при температуре окружающей среды, все это приводит снижению качества покрытий.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является установка, представленная в патенте RU №78785 «Автоматизированная установка для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания», МПК B82B 3/00, опубл. 10.12.2008 и содержащая держатель образца, на который наносятся тонкопленочные покрытия, выполненный с возможностью перемещения, компьютер, сосуды для растворов различного состава для погружения в них образца, держатель сосудов, при этом установка оснащена подводом и сливом чистой воды. Держатель сосудов выполнен в виде статического постамента с гнездами для линейного последовательного расположения сосудов и с возможностью термического воздействия на сосуды для жидкостей. Вся конструкция установки, за исключением компьютера и блока управления, находится на основании, закрытым корпусом, обеспечивающим герметичность и инертную среду.

Работа установки управляется и контролируется оператором на компьютере с помощью управляющей программы. Горизонтальное и вертикальное перемещение образца выполняется двумя двигателями с помощью вертикальной и горизонтальной направляющих передач «винт-гайка». В процессе работы жидкости в сосудах могут нагреваться терморезисторами, этим процессом управляет оператор. Наслаивание проводится циклично, за один цикл образец последовательно опускается в сосуды с жидкостями, скорость и время нахождения образца в жидкости так же контролируется. Далее цикл может повторяться.

В связи с тем, что в такой установке формирование покрытий осуществляется только в результате диффузионного механизма переноса ионов, получаемые образцы характеризуются повышенной шероховатостью, что приводит к снижению качества покрытия.

В такой установке блок управления размещен отдельно, вне корпуса, обеспечивающего герметичность и инертную среду, сам корпус имеет вид крышки, закрывающей основание установки. В связи с этим такая установка не удобна при эксплуатации, перемещении и хранении.

Задачей заявляемой полезной модели является создание автоматизированной установки для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания, которая позволит достигать технический результат, заключающийся в повышении качества тонкопленочных покрытий и повышении удобства эксплуатации, перемещения и хранения установки.

Сущность полезной модели заключается в том, что в автоматизированной установке для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания, содержащей держатель образца, выполненный с возможностью перемещения, сосуды для жидкостей для погружения в них образца, держатель сосудов, с гнездами для линейного последовательного расположения сосудов и с возможностью термического воздействия на сосуды, блок управления и компьютер, держатель образца и сосуды для жидкостей выполнены из токопроводящего материала, каждое гнездо для расположения сосуда имеет корпус кольцеобразной формы, внутри которого размещен нагреватель, на каждый из сосудов закреплен съемный термодатчик, при этом под держателем сосудов расположен блок управления, с которым электрически связаны держатель образца, корпуса гнезд для расположения сосудов, нагреватели и съемные термодатчики. Токопроводящий материал держателя выбирают из ряда графит, нержавеющая сталь, медь, алюминий. Токопроводящий материал сосудов для жидкостей выбирают из ряда графит, нержавеющая сталь, алюминий. Вся конструкция установки, за исключением компьютера находится в герметичном боксе с инертной средой. Перемещение держателя образца обеспечивают механизмы вертикального и горизонтального перемещения, каждый из которых состоит из направляющих, механизма «винт-гайка» и двигателя.

Установка своим основанием размещается на дне герметичного бокса со съемной крышкой. Обеспечивается компактность расположения элементов установки, а именно держатель сосудов размещен выше за счет расположения блока управления под ним (внутри герметичного бокса), что значительно сокращает свободный ход держателя образца. В отличие от прототипа, двигатель вертикального перемещения размещен в нижней части механизма вертикального перемещения, соответственно его центр тяжести также сместился ниже, тем самым уменьшается амплитуда колебаний образца при перемещениях, что благоприятно сказывается на качестве покрытий получаемых на образцах. Кроме того все элементы установки (кроме компьютера) находятся в герметичном боксе. Таким образом, она состоит из двух компактных блоков, такую установку удобно эксплуатировать, перемещать, хранить.

Каждое гнездо для расположения сосуда для жидкостей имеет корпус кольцеобразной формы, в которое плотно устанавливается сосуд. Внутри этих корпусов размещены нагреватели. Такая форма корпуса увеличивает площадь контакта нагревателя с сосудом, тем самым делая более эффективным и равномерным нагрев жидкости, так как нагрев происходит со всех сторон. Корпус гнезда изолирован от нагревателя и изготовлен из проводящего материала.

При подаче напряжения между держателем образца и корпусом гнезда с размещенным в нем сосудом из токопроводящего материала возникает электрическое поле, которое вносит изменения в механизмы формирования тонкопленочных покрытий. Так как жидкость в сосудах содержит образующиеся при диссоциации соли ионы, обладающие определенным зарядом, воздействие электрического поля приводит к направленному движению ионов относительно образца по силовым линиям поля, что способствует дополнительному упорядочению слоя, что обуславливает повышение качества тонкопленочных покрытий.

Полезную модель иллюстрируют чертеж (фиг. 1), представляющий установку в аксонометрическом изображении.

Устройство содержит (фиг. 1):

1 - основание;

2 - двигатель вертикального перемещения;

3 - вертикальные направляющие;

4 - передача «винт-гайка» вертикального перемещения;

5 - двигатель горизонтального перемещения;

6 - горизонтальные направляющие;

7 - передача «винт-гайка» горизонтального перемещения;

8 - штанга;

9 - держатель образца;

10 - образец;

11 - сосуды для жидкостей;

12 - гнезда сосудов;

13 -держатель сосудов;

14 - блок управления;

15 - компьютер;

16 - герметичный бокс;

17 - микропереключатели вертикального положения образца;

18 - микропереключатели горизонтального положения образца;

19 - электрические контакты на корпусах нагревателей;

20 - контакт к держателю;

21 - съемные термодатчики;

22 - каретка.

Установка состоит из основания 1, установленного на дне герметичного бокса 16, на основании 1 закреплен двигатель горизонтального перемещения 5, горизонтальные направляющие 6, закрепленные на опорах, передача винт-гайка горизонтального перемещения 7, блок управления 14. Горизонтальные направляющие 6, двигатель горизонтального перемещения 5 и передача винт-гайка горизонтального перемещения 7 вместе образуют устройство горизонтального перемещения. Двигатель горизонтального перемещения 5 с помощью муфты соединен с передачей винт-гайка горизонтального перемещения 7. При вращении двигателя горизонтального перемещения 5 передача винт-гайка горизонтального перемещения 7 преобразует вращательное движение в поступательное движение каретки 22, закрепленной на гайке передачи винт-гайка горизонтального перемещения 7. На каретке 22 закреплен двигатель вертикального перемещения 2, вертикальные направляющие 3 и передача винт-гайка вертикального перемещения 4, которые образуют устройство вертикального перемещения. Двигатель вертикального перемещения 2 соединен с передачей винт-гайка вертикального перемещения 4 с помощью муфты. При вращении двигателя вертикального перемещения 2 происходит вертикальное движение штанги 8, связанной с гайкой передачи винт-гайка вертикального перемещения 4. На вертикальных направляющих 3 закреплены микропереключатели вертикального положения образца 17. На горизонтальных направляющих 6 закреплены микропереключатели горизонтального положения образца 18. На штанге 8 закреплен держатель образца 9, выполненный из токопроводящего материала с установленным в него образцом 10. К держателю образца 9 подходит контакт 20 от блока управления 14. На блоке управления 14 расположен держатель сосудов 13. На держателе сосудов 13 закреплены гнезда кольцеобразной формы 12 с нагревателями. В корпуса гнезд 12 устанавливают сосуды для жидкостей 11, выполненные из токопроводящего материала. К каждому корпусу гнезд 12 подходят контакты 19 от блока управления 14. В сосудах для жидкостей 11 закреплены съемные термодатчики 21. Блок управления 14 соединен с компьютером 15.

Блок управления 14 содержит микроконтроллер, платы системы контроля температурой жидкостей в сосудах и системы управления двигателями 2 и 5, блок питания с которым связаны контакты 20 и 19. Микроконтроллер с помощью платы системы контроля температурой жидкостей в сосудах, которая содержит свой блок питания, принимает данные о температуре в сосудах 11, управляет нагревателями в гнездах 12. Плата системы управления двигателями содержит блок питания двигателей, драйвера управления двигателями. С помощью нее микроконтроллер управляет двигателями 2 и 5, а так же следит за положением образца 10 по сигналам от микропереключателей вертикального и горизонтального положения образца 17 и 18. Микроконтроллер связан с компьютером 15 посредством параллельного порта. На компьютере 15 загружена управляющая программа. С ее помощью оператор запускает установку, контролирует ход работы и изменяет некоторые параметры рабочего процесса.

Установка работает следующим образом.

Образец 10 закрепляют в держателе образца 9 и сосуды с жидкостями 11 устанавливают в гнезда 12, расположенных на держателе сосудов 13. На сосуды 11 устанавливают термодатчики 21. Закрывают крышку бокса 16.

Оператор с помощью программы на компьютере 15 задает количество циклов, количество используемых сосудов И, температуры нагрева жидкостей в сосудах 11, величину напряжения между держателем образца 9 и корпусами гнезд 12, время нахождения образца 10 внутри и вне сосуда 11, число, скорость и глубину погружений образца 10 в каждый из сосудов 11. После предварительного ввода данных о процессе формирования покрытий оператор запускает управляющую программу. В начале работы управляющая программа проводит инициализацию, заключающуюся в том, что образец 10 перемещается в заданное исходное положение, определяющееся микропереключателями вертикального и горизонтального положения образца 17 и 18. После инициализации начинается нагрев жидкостей в сосудах 11, контролируемый термодатчиками 21, а так же подается заданное раннее напряжение между держателем образца 9 и корпусами гнезд 12.

Далее начинается процесс молекулярного наслаивания покрытия на образец 10 с воздействием на образующееся покрытие электрического поля.

За один цикл формирования происходит наслаивание на образец 10 одного слоя. Штанга 8 опускает образец 10, закрепленный на держателе образца 9 в первый сосуд 11, содержащий жидкость А. Образец 10 выдерживают в этом сосуде в течение времени, задаваемым оператором перед запуском программы, необходимого для адсорбции. По истечении времени адсорбции штанга 8 поднимает образец 10. Для промывки образец 10 перемещается в следующий сосуд, в котором находится растворитель. В погруженном состоянии образец 10 выдерживается определенное время (далее - время промывки). Время промывки является настраиваемым параметром программы. По истечении промывки начинается подъем образца 10. Далее образец 10 перемещается в сосуд с жидкостью В и выдерживается в течение времени, необходимого для адсорбции. Далее образец 10 аналогичным образом промывается растворителем, содержащимся в следующем сосуде.

Цикл молекулярного наслаивания слоев повторяется необходимое число раз. После чего образец 10 перемещается в исходное положение. Нагреватели выключаются, снимается напряжение между держателем образца 9 и гнездами 12. Крышку бокса открывают, снимают термодатчики 21, из держателя образцов 9 снимают образец 10.

Предлагаемая установка, не размещенная в боксе, может иметь следующие габаритные размеры:

Высота установки - 410 мм.

Длина основания - 440 мм, ширина основания - 230 мм. Габаритные размеры блока управления - длина - 440 мм, ширина - 110 мм, высота - 130 мм.

В предлагаемом примере установка (фиг.1) рассчитана на использование четырех сосудов для жидкостей.

В качестве сосудов могут использоваться сосуды из нержавеющей стали или графита диаметр 48 мм, высота 80 мм, объем 100 мл. В качестве токопроводящего материала держателя может использоваться медь, алюминий, нержавеющая сталь, графит.

В качестве нагревателей могут быть применены нагреватели использующиеся в паяльных ваннах СТ-11С, СТ-21С, СТ31-С.

В качестве примера реализации можно привести следующую компоновку устройства. Для изготовления большинства соединяющих деталей может быть применена технология экструзионной 3D-печати ABS пластиком. Для металлических опор и креплений элементов установки может применяться анодированный алюминиевый профиль 6061 компании Maker Works Technology INC. В качестве термодатчиков могут использоваться датчики температуры DS18B20+ в оболочке из нержавеющей стали. В качестве двигателей вертикального и горизонтального перемещения могут служить шаговые двигатели Kysan 1124090 с номинальным напряжением 4,2 В. В качестве микроконтроллера может быть использована платформа Arduino Mega на базе микроконтроллера ATmega 2560, который имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки.

Таким образом, заявляемая установка позволяет получать качественные тонкопленочные покрытия и удобна в эксплуатации, перемещении и хранении.

Claims (5)

1. Автоматизированная установка для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания, содержащая держатель образца, выполненный с возможностью перемещения, сосуды для жидкостей для погружения в них образца, держатель сосудов с гнездами для линейного последовательного расположения сосудов и с возможностью термического воздействия на сосуды, блок управления и компьютер, отличающаяся тем, что держатель образца и сосуды для жидкостей выполнены из токопроводящего материала, каждое гнездо для расположения сосуда имеет корпус кольцеобразной формы, внутри которого размещен нагреватель, на каждый из сосудов закреплен съемный термодатчик, при этом под держателем сосудов расположен блок управления, с которым электрически связаны держатель образца, корпуса гнезд для расположения сосудов, нагреватели и съемные термодатчики.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что токопроводящий материал держателя образца выбирают из ряда: графит, нержавеющая сталь, медь, алюминий.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что токопроводящий материал сосудов для жидкостей выбирают из ряда: графит, нержавеющая сталь, алюминий.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что вся конструкция установки, за исключением компьютера, находится в герметичном боксе с инертной средой.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что перемещение держателя образца обеспечивают механизмы вертикального и горизонтального перемещений, каждый из которых состоит из направляющих, механизма "винт - гайка" и двигателя.

Images