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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