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Índice
1. Resumen......................................................................................................................................1
2. Introducción.................................................................................................................................1
3. Planteamiento del problema......................................................................................................2
4. Objetivos......................................................................................................................................2
4.1. Objetivo general...................................................................................................................2
4.2. Objetivos específicos..........................................................................................................2
5. Justificación.................................................................................................................................3
6. Marco Teórico..............................................................................................................................4
7. Estado del arte............................................................................................................................5
8. Propuesta de solución................................................................................................................7
8.2 Restricciones y Especificaciones técnicas......................................................................12
9. Inversión inicial requerida........................................................................................................13
9.1 Recursos..............................................................................................................................14
10. Cronograma.............................................................................................................................15
11. Bibliografía...............................................................................................................................17
SISTEMA PARA LA FABRICACIÓN DE CONTACTOS ELÉCTRICOS TRANSPARENTES
1. Resumen
En este trabajo se presenta el proyecto para la elaboración de un prototipo para la
creación de contactos eléctricos transparentes. Los contactos eléctricos
transparentes toman importancia en el mundo de la electrónica debido a los
beneficios que estos ofrecen. Actualmente, las principales aplicaciones son en los
sistemas fotovoltaicos, dispositivos electroluminiscentes, por mencionar algunos.
Se emplearán distintos controles sobre: la temperatura, altura de boquilla, tiempo y
extracción de vapores para poder obtener una distribución homogénea y al mismo
tiempo, obtener contactos eléctricos transparentes para aplicaciones en diferentes
áreas de investigación tecnológica, tales como óxidos conductores transparentes,
dieléctricos, materiales luminiscentes, entre otras.
1.1 Palabras clave:
Prototipo, contactos transparentes, temperatura, aspersión, distribución
homogénea.
2. Introducción
En la ingeniería de materiales, los óxidos metálicos han despertado mucho interés
en los últimos años debido a sus interesantes aplicaciones como sensor de gas,
de radiación, luminiscencia, conductor transparente para celdas solares, etc. Esto
ha dado lugar a la aparición de múltiples técnicas de depósito desarrolladas en
función de las propiedades específicas que se esperan del material. Ninguna
técnica puede considerarse como la mejor, cada una tiene sus ventajas e
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inconvenientes, ya sea en su realización práctica o en la calidad de los resultados
obtenidos.[4]. El proyecto “SISTEMA PARA LA FABRICACIÓN DE CONTACTOS
ELÉCTRICOS TRANSPARENTES” será desarrollado con fines de investigación y
experimentales.
3. Planteamiento del problema
Debido al costo de sistemas comerciales “similares”, tiempos de manufactura,
requerimientos del usuario y a la toxicidad de los materiales, se requiere fabricar
un sistema para desarrollar contactos eléctricos transparentes uniformes con
características físicas, ópticas y eléctricas deseadas propias del material
sintetizado.
4. Objetivos
4.1. Objetivo general.
Construir un sistema semiautomático para fabricar contactos eléctricos
transparentes con características físicas, ópticas y eléctricas propias del material
sintetizado.
4.2. Objetivos específicos.
1. Implementar un sistema de control para regular la temperatura con la
que operará el sistema en un rango que va de temperatura ambiente
a 600° C.
2. Implementar una tina que permita un calentamiento homogéneo en
el área de depósito.
3. Implementar un sistema de control para regular la frecuencia de
desplazamiento de la boquilla que realiza el recubrimiento.
4. Diseñar el prototipo para trabajar sobre superficies de una pulgada
cuadrada como valor máximo.
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5. Desarrollar un mecanismo capaz de producir un movimiento
longitudinal con velocidad constante, cuyos materiales sean los
apropiados para el ambiente controlado.
6. Manufacturar y ensamblar una cámara que favorezca el ambiente
controlado, de igual manera evitar fugas de los gases producidos
durante el proceso.
7. Realizar una interfaz hombre máquina tomando en cuenta las
sugerencias del usuario con la finalidad de obtener un sistema
amigable en su uso.
8. Integrar el prototipo, comprobar que cumpla con los parámetros
correspondientes indicados al inicio del proceso, para ello se
realizarán pruebas eléctricas y ópticas a los contactos que aseguren
la fabricación del contacto eléctrico transparente.
5. Justificación
Hasta el momento, por conveniencia, los usuarios han utilizado sistemas de
fabricación para el desarrollo de contactos eléctricos transparentes con métodos
tradicionales y/o artesanales, por consecuencia, no se obtienen las características
físicas y eléctricas uniformes en los contactos eléctricos transparentes
desarrollados, problema que se pretende atacar con el prototipo y de igual
manera, se trabajará en la reducción del riesgo laboral por las fugas presentadas
en el sistema que actualmente se utilizan. Los sistemas “similares” comerciales
tienen un costo cercano a los 8,000 USD, sin embargo, estos sistemas están
pensados para la creación de vidrios inteligentes o sensores de gas, lo que
provoca que sean de grandes dimensiones sin estar especializados en la
fabricación de contactos eléctricos transparentes.
La implementación del sistema para desarrollar contactos eléctricos transparentes
logrará crear un material con propiedades y características apropiadas para usos
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específicos, útiles en el desarrollo de diferentes proyectos realizados por los
usuarios.
6. Marco Teórico
Los óxidos conductores transparentes son importantes en campos como la micro y
nanoelectrónica. Son usados en el desarrollo de circuitos integrados, electrodos
transparentes, contactos transparentes y sistemas de conversión de energía.
Como contactos transparentes en una amplia gama de dispositivos
optoeletrónicos tales como las células fotovoltaicas, LEDs y pantallas LCD táctiles,
ya que estos materiales son los únicos capaces de conducir la electricidad
mientras que son transparentes a la luz visible.[7]
Para lograr eficazmente el depósito de material y obtener un buen contacto
eléctrico con características específicas, es importante contar con un control en el
rociado longitudinal con el que se depositará el material, debido a la alta
uniformidad con la que debe contar para asegurar la calidad del producto. Esta no
sólo dependerá del sistema de rociado, también se manejará un sistema de
posición manual, cuya labor será la de manipular la altura de la boquilla rociadora.
Así mismo, se utilizará un mecanismo que sea capaz de lograr un movimiento
longitudinal a lo largo de un eje único paralelo a la superficie del sustrato, el cual
permitirá controlar la frecuencia y la velocidad con la que se realiza el rociado
asegurando la uniformidad en el contacto.
Otro aspecto importante a tratar en el trabajo es el tema de la temperatura, la cual
es de crucial importancia, puesto que es la que ayuda a que el contacto pueda
obtener la mayor cantidad de material, asegurando su eficacia, por consiguiente,
se piensa tener un sensor de temperatura que realizará una retroalimentación al
sistema de control con el cual se pretende asegurar que la temperatura se
mantenga dentro de los valores requeridos.
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El sistema de control de extracción es fundamental dado que se tiene que
controlar el flujo con el que se desea extraer los gases, ya que no es adecuada la
permanencia de los gases dentro de la cámara, pero tampoco se busca que el gas
salga por completo puesto que no se realizaría el depósito de material en los
contactos eléctricos transparentes. Por esta razón es importante crear una
atmósfera que permita dicho proceso, y al mismo tiempo impida la fuga de los
gases producidos, debido a que puede ser dañino para el operador.
7. Estado del arte
En la actualidad se puede encontrar muchos usos a los contactos eléctricos
transparentes que durante las últimas dos décadas se ha tenido gran actividad
tanto en la investigación, por ejemplo indicadores, dispositivos
electroluminiscentes o también diversos tipos de sensores. Los más comunes son
los sensores ópticos, los cuales pueden tener diversas tareas como medir
temperaturas, luminiscencia, elasticidad, deformación elástica, etc.
Dentro de la industria se pueden encontrar algunos mecanismos similares como el
GALAXIE Secado Spray algunas de sus características son las siguientes:
El Secado Spray es el proceso de pulverizar una solución o suspensión en una
corriente de aire caliente que los deshidrata en forma casi instantánea. Lo cual
presenta grandes ventajas en relación a otro tipo de secados.
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Imagen 1. GALAXIE SECADO SPRAY. (http://www.galaxie.com.ar/)
El producto líquido se encuentra alojado en el tanque de alimentación (1). A
través de un Filtro de producto (2), es impulsado por la bomba (3) y por el
conjunto de tuberías y accesorios (4) hasta el Atomizador (7). El quemador del
horno (5) y su Cámara (6) proveen la temperatura necesaria para la corriente
de aire caliente, que forzada por el Ventilador (13), circula a través del
Dispersor (8) distribuyéndose uniformemente alrededor del disco del
Atomizador (7), del cual fluye el Líquido pulverizado. Cuando éste último choca
con el aire caliente el secado se produce en forma casi instantánea debido al
tamaño de la gota. Como parte de ésta es sólido (producto en determinada
concentración) cae en forma de polvo en el interior de la Cámara de Secado
(9), siendo aspirado por el Ventilador (13), es llevado por la tubería de
interconexión (10) hasta al Ciclón (11) que es el encargado de separar el polvo
del aire y extraerlo en forma de producto terminado. Este último sale mediante
una Válvula Rotativa (12) para su envasado. El aire separado escapará al
exterior por medio de una chimenea (14) llevándose consigo un muy pequeño
porcentaje de polvo. Para salvar esta pérdida GALAXIE Secado Spray ofrece
como opcional la utilización de un sistema Lavador de Gases (16) que permite
recuperar el producto y volverlo a utilizar, en caso de ser costoso y/o evitar la
contaminación ambiental.
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8. Propuesta de solución
La solución al problema planteado se buscó utilizando el modelo de propuesta por
áreas funcionales apoyado por diagrama de bloques.
Solución líquida: Es la sustancia, la cual será depositada sobre el contacto
transparente con la finalidad de brindarle las características deseadas.
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SISTEMA PARA LA FABRICACIÓN DE
CONTACTOS ELÉCTRICOS
TRANSPARENTES
Nebulizador. Solución líquida.
Sistema de aspersión.
Atomizador.
Control de frecuencia.
Sistema de calefacción.
Resistencia calorífica.
Control de temperatura.
Aspersión.
Ajuste de altura.
Mecanismo de traslación.
Cámara de atmosfera
controlada.
Sistema de extracción.
Cámara.
Ilustración 1. Propuesta de solución por áreas funcionales
Atomizador: Es el elemento encargado de liberar solo la cantidad exacta
sobre el área deseada.
Control de frecuencia: Tiene la finalidad de poder asegurar que el rocío del
material sea uniforme y constante manteniendo una misma velocidad
durante el tiempo definido.
Ajuste de altura: Es necesario poder tener un mecanismo que garantice la
distancia entre el atomizador y el contacto transparente, ya que el usuario
puede llegar a cambiar la distancia dependiendo de los resultados que se
desea obtener.
Mecanismo de traslación: Es el encargado de realizar el movimiento
longitudinal del aspersor y poder de esta forma un rociar sobre el material la
solución liquida.
Resistencia calorífica: Son necesarias para poder lograr alcanzar las
temperaturas necesarias para poder llevar a cabo el proceso y garantizar
un buen depósito de material sobre nuestro contacto.
Control de temperatura: Permite poder conocer la temperatura que se tiene
a cada momento y al mismo tiempo poder modificarla en caso de ser
necesario.
Sistema de extracción: Permite aspirar el exceso de gases dentro de la
cámara por medio de un ventilador.
Cámara: Su función es impedir tener los gases concentrados dentro de la
misma y al mismo tiempo garantiza la seguridad del operador ya que evita
la fuga de los gases.
El prototipo (Imagen 2) que se desarrollará consiste en diversos aditamentos y
accesorios incorporados dentro de una cámara.
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Imagen 2. Diagrama de bloques del Sistema para la Fabricación de Contactos Eléctricos Transparentes.
Como sistema de calentamiento (Imagen 3) se emplea una tina de estaño fundido
cuya temperatura varia de temperatura ambiente hasta 700° Celsius, controlada
electrónicamente.
Imagen 3. Diagrama de bloques del sistema de calefacción.
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Se hará uso de humidificadores con frecuencias de operación de
aproximadamente 1 MHz que generarán el aerosol de la(s) solución(es)
química(s), contará con válvulas que regulan la cantidad de aire comprimido
utilizado para transportar el aerosol de la solución a las inmediaciones del sustrato
(Imagen 4).
Imagen 4. Diagrama de bloques del sistema de nebulización y mezcla.
Un dispositivo extractor de vapores (Imagen 5) tendrá 2 niveles de extracción, uno
para la etapa de síntesis y otro para desalojar los residuos.
Imagen 5. Diagrama de bloques del sistema de extracción.
Se incorporará un mecanismo que consta del posicionamiento de altura variable
de la boquilla rociadora la cual deberá ser establecida al inicio del proceso, y un
mecanismo de traslación que y permitirá hacer trayectorias longitudinales (Imagen
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6) a lo largo del sustrato donde se depositarán las soluciones a velocidad
constante durante un tiempo específico programado previamente.
Imagen 6. Diagrama de bloques del sistema de aspersión.
En la imagen 7 se muestra la integración de los sistemas mencionados para
conformar el Sistema para la fabricación de contactos eléctricos transparentes.
Imagen 6. Sistema para la fabricación de contactos eléctricos transparentes
El operario colocará superficies no mayores a una pulgada cuadrada, seleccionará
tiempo de operación del sistema mediante un control principal (1). El producto
líquido se encuentra alojado en el tanque de alimentación (9). A través de un
conjunto de tuberías y accesorios hasta el Atomizador (8). El control de
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temperatura (2) y la cámara (8) proveen la temperatura necesaria para la
fabricación de contactos eléctricos trasparentes. El líquido circula a través del
Atomizador (8) distribuyéndose uniformemente gracias al control de frecuencia
(3) implementado de manera lineal (6), fabricando de esta manera el contacto
eléctrico transparente (10). Al término de la creación del contacto, los gases
serán aspirados por el Ventilador (5), y una vez concluido este proceso se
encenderá una alarma que avise al usuario una vez finalizada su operación
(Imagen 7).
Para sistema de aspersión se considera utilizar una boquilla y un sensor que mida
el nivel de la solución que alimenta al atomizador el cual en caso de tener un nivel
crítico alertará al usuario para que se agregue más solución o concluya el proceso.
El control del extractor se ha considerado utilizar un estrangulador de flujo y un
extractor.
El control de temperatura se realizará en la cama de estaño con una temperatura
máxima de 700 °C.
El control de frecuencia de oscilación se considera realizar mediante PWM si se
maneja un motor de corriente directa o por medio de un variador de velocidad si se
elige un motor de corriente alterna.
Se programará la interfaz humano-máquina que permitirá al usuario elegir los
tiempos de operación en minutos, temperatura en grados Celsius y frecuencias de
oscilación en ciclos por minuto con las que trabajará el sistema.
8.2 Restricciones y Especificaciones técnicas
Temperatura máxima de la cama de estaño 700 °C
Tiempo máximo de operación del mecanismo 60 min.
Distancia máxima entre boquilla y sustrato 15 cm.
Capacidad máxima de la cámara de atmósfera controlada 1 metro cúbico.
Frecuencia máxima del mecanismo 10 ciclos por min.
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Interfaz humano-máquina que permita regular, temperatura de la cama de
estaño, frecuencia del mecanismo y tiempo de operación del sistema.
Aspersión sobre una superficie no mayor a una pulgada cuadrada.
Distancia ajustable manualmente entre boquilla y sustrato 2 cm a 15 cm.
Alarma sonora que notifique al usuario una vez concluido el proceso.
Alarma sonora que notifique al usuario del nivel crítico de la solución.
9. Inversión inicial requerida
Concepto Monto Subtotal $9,340.00
Mecánica Control
Estructura de acero $5,000.00 Temperatura $2,500.00
Mecanismo translación $2,500.00 Oscilación $2,500.00
Cámara de atmosfera controlada $3,000.00 Aspersión $3,500.00
Vidrio $1,000.00 Subtotal $8,500.00
Componentes diversos $1,000.00 Sistema de extracción
Soldadura $250.00 Sistema de regulación $500.00
Cortadores $800.00 Subtotal $500.00
Subtotal $13,550.00 Interfaz humano máquina $1,000.00
Electrónica Subtotal $1,000.00
Actuadores $2,500.00
Extractor $250.00 Total $32,890.00
Calefactor $1,800.00
Boquilla $1,500.00
Sistema de regulación $200.00
Electro válvula $1,200.00
Componentes diversos $1,500.00
Protoboard $150.00
Placa de cobre $50.00
Cortadores, brocas $190.00
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9.1 Recursos
Laboratorio de Cómputo con software de diseño CAD para la cámara de atmósfera
controlada.
Laboratorio de Electrónica para diseño y construcción de los controles de
temperatura y oscilación
Se cuenta con el taller de máquinas-herramienta para poder elaborar el soporte
del sistema de aspersión lineal.
El Ing. Yasser Idi Sánchez Herrera el cual funge como asesor será el patrocinador
al 100% del proyecto “SISTEMA PARA LA FABRICACIÓN DE CONTACTOS
ELÉCTRICOS TRANSPARENTES “
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10. Cronograma
ActividadSemana
Trabajo terminal 1 Trabajo terminal 21 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Determinación de requerimientos
Análisis de soluciones. Modelado y
simulación de los lazos de control.
Modelado y simulación del
mecanismo.
Diseño de circuitos eléctricos.
Simulación de los circuitos eléctricos.
Diseño robusto. Análisis y elección
de materiales. Análisis de
proveedores. Documentación.
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ActividadSemana
Trabajo terminal 1 Trabajo terminal 21 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Presentación de trabajo terminal 1.
Compra de material.
Fabricación de PCB's.
Maquinado.
Implementación de lazos de
control. Desarrollo de
Interfaz humano-máquina.
Integración del prototipo.
Pruebas y análisis de resultados
Documentación. Presentación de
trabajo terminal 2.
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11. Bibliografía
[1] «ec.europa.eu,» 06 2013. [En línea]. Available: http://ec.europa.eu/research/infocentre/article_en.cfm?artid=30333.
[2] E. Dorca, «http://vrelia.com,» 08 01 2014. [En línea]. Available: http://vrelia.com/el-instituto-suizo-de-tecnologia-usa-electronica-transparente-en-lentillas/. [Último acceso: 13 09 2014].
[3] J. P. E. Manzorro, «http://digital.csic.es/,» [En línea]. Available: http://digital.csic.es/bitstream/10261/40689/1/P%C3%A1ginas%20de%20EVENTOS309994%5B1%5D.pdf. [Último acceso: 13 09 2014].
[4] O. Martín, «http://www.fierasdelaingenieria.com/,» 18 01 2012. [En línea]. Available: http://www.fierasdelaingenieria.com/avances-en-optoelectronica-descubierto-los-limites-de-los-oxidos-conductores-transparentes/. [Último acceso: 13 09 2014].
[5] |. F. P. D. y. C. M. E. Nieto, «boletines.secv.es,» 10 1994. [En línea]. Available: http://boletines.secv.es/upload/199433245.pdf. [Último acceso: 13 09 2014].
[6] L. E. Regalado, «http://rmf.smf.mx,» 1986. [En línea]. Available: http://rmf.smf.mx/pdf/rmf/32/4/32_4_601.pdf. [Último acceso: 13 09 2014].
[7] D. P. Marín, «http://freshmaterial.blogspot.mx,» 24 02 2012. [En línea]. Available: http://freshmaterial.blogspot.mx/2012/02/las-peliculas-delgadas-nuevo-materal.html. [Último acceso: 13 09 2014].
[8] R. L. C. T., «smcsyv.fis.cinvestav.mx,» 12 2008. [En línea]. Available: http://smcsyv.fis.cinvestav.mx/supyvac/21_4/SV2140608.pdf.
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