SONDE LAMBDA: FABRICATION DU CAPTEUR

05-05-2019 - Reportages


Sonde lambda. Fabrication du capteur FAE

 

Dans ce rapport, nous parlerons des trois types de sondes que nous fabriquons dans FAE et de l'évolution que ce produit a suivie au fil des ans.

 

1. Introduction à la sonde lambda

1.2. Structure de la sonde lambda

MÉTHODE DE FABRICATION

2. Barbotine: Formulation et mélange
3. Coulée
4. Découpe en feuilles
5. Poinçonnage
6. Encres
7. Remplissage des voies
8. Sérigraphie
9. Profilomètre
10. Empilement
11. Laminage
12. Protection
13. Individualisé
14. Frittage
15. Vérification

 
 
1. INTRODUCTION À LA SONDE LAMBDA 

FAE utilise la technologie multicouche planaire pour fabriquer ses capteurs pour sondes lambda. Le capteur est composé de différentes couches d'un substrat céramique et chacune de ces couches a une fonction différente. Elles sont configurées séparément, puis jointes une par une pour former un ensemble avec une fonctionnalité totale.


1.2. STRUCTURE DE LA SONDE LAMBDA

Les capteurs des sondes lambda fonctionnent en comparant deux atmosphères, les gaz d'échappement d'un côté et l'air extérieur de l'autre. La différence de concentration d'oxygène entre les deux gaz génère une tension dans le capteur qui est lue par l'Unité de Contrôle électronique du véhicule (ECU).
Il est donc nécessaire que, dans le même capteur, il y ait différentes parties en contact avec les gaz d'échappement (électrode de mesure) et avec l'air dans l'atmosphère propre (électrode de référence). Il est également nécessaire d'avoir une résistance chauffante (Heater) pour la sonde. De la même manière, des voies de raccordement et des pièces isolantes seront nécessaires pour éviter les interférences.
Chacune de ces parties est située dans une couche personnalisée pour sa fonction. Ces couches seront empilées et compactées pour former un capteur. Voyons, donc, comment et à partir de quoi ces couches se forment.
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            Sensor FAE
 

                           Structure de base d’un capteur FAE.













 
Disposition des couches d’un capteur et leur fonctionnalité.




2. FORMULATION ET MÉLANGE

Le matériau de base à partir duquel les capteurs sont fabriqués est un matériau céramique appelé barbotine. Pour le créer, nous partons d'un matériau initial qui est une poudre céramique de dioxyde de zirconium qui, mélangée à une base aqueuse et à divers additifs, devient une pâte aux propriétés plastiques, similaire aux peintures aqueuses.
Le mélange est fabriqué selon un protocole de fabrication contrôlé. L'homogénéisation est réalisée à l'aide de mélangeurs et de systèmes de filtration mécaniques qui garantissent une viscosité et une homogénéité contrôlées par un rhéomètre.
 
Matière première pour la fabrication du substrat céramique.
Rhéomètre pour mesurer la viscosité du substrat céramique.

 
 
3. COULÉE

Le substrat céramique, qui est un ruban continu, d'une épaisseur de 200 microns, est créé dans cette machine. La pâte céramique est déposée sur un matériau de transport en PET siliconé qui avance à une vitesse de 1 m. linéaire/min. à travers un système de vannes qui assurent un dépôt homogène de la céramique. Immédiatement après, la barbotine coulée est séchée à température contrôlée et acquiert une consistance souple semblable à celle du papier. Ce matériau possède des propriétés souples et plastiques qui lui ont été conférés par les additifs organiques. Dans cet état, la céramique est dénommée “céramique verte”.


 
      La Salle Blanche ISO7 avec atmosphère contrôlée.

 
        
 
La bobine obtenue dans la machine de coulée est envoyée pour traitement dans la Salle Blanche qui, grâce à son atmosphère contrôlée, est essentielle pour la fabrication avec la technologie multicouche planaire, afin d'assurer qu'il n'y a pas de particules de poussière entre les couches de céramique, pouvant compromettre la qualité et la fonctionnalité du produit FAE.
 
Séchage de la barbotine
La barbotine est coupée et roulée en vue d’une manipulation ultérieure.

          
 
 
 
 
 
4. DÉCOUPE EN FEUILLES

La bobine de substrat céramique entre dans la machine où elle est découpée, avec une grande précision, en feuilles de la taille appropriée en vue du traitement automatique par tous les équipements du processus. A partir de chaque bobine de substrat céramique, on obtient les feuilles nécessaires à la fabrication d'environ 3000 capteurs.
Une fois coupée, chaque feuille est pesée, son épaisseur et son homogénéité sont contrôlées par des caméras de vision artificielle, qui détectent les pores, les fissures ou les irrégularités du substrat.
Les feuilles sont également percées d’orifices ou marques fiduciaires pour un contrôle ultérieur de la position par des caméras de vision artificielle.
 
              

 
                                                                                                                                                                                            Les bandes sont coupées et marquées
                                                                                                                                                                                                                    une par une.

 
5. POINÇONNAGE

Cette machine personnalise chaque feuille pour la fonction qu'elle aura à effectuer dans le futur capteur. Selon le capteur à fabriquer, certaines couches seront utilisées pour loger le heater ou élément chauffant, d'autres pour loger les électrolytes, d'autres comme isolants, etc. Pour ce faire, il est nécessaire de faire différents orifices ou coupes dans les feuilles. Ces orifices sont d'un maximum de 300 microns.
Ces orifices ou découpes seront ensuite remplis avec des encres conductrices spéciales.
Les marques fiduciaires permettent de veiller à ce que les orifices pratiqués dans chacun des rubans (tapes), coïncident parfaitement lorsqu’elles sont empilées les unes sur les autres, formant ainsi les couches de chaque capteur.

 
                                                                                                                                                          
Détail d'une bande perforée et
marquée de son code à barres.

              
 
6. ENCRES

L'élaboration des encres est l'un des secrets de fabrication de ce type de capteurs. En effet, ces encres ont une formulation spécifique pour chaque fonction et contiennent des métaux tels que le platine qui fournissent au capteur la fonctionnalité requise.

 
 



 
                                                                                                                                                                   Chaque encre est formulée pour une fonction spécifique.

 
 
 
7. REMPLISSAGE DES VOIES


Dans cette machine, les coupes ou voies qui ont été faites précédemment sont remplies d'encres conductrices spécialement créées pour chacune des fonctions.

 
 
 

 



 
Tape (ruban) avec les voies remplies
avec l’encre spécialement formulée.
 


8. SÉRIGRAPHIE

La technique de la sérigraphie est utilisée pour créer les circuits électroniques. Cette technique est semblable à celle utilisée pour l'impression sur les T-shirts, mais avec une précision exacte.
Au moyen d’un contrôle par caméra de vision artificielle, la bande (tape) perforée et le cliché sont parfaitement alignés pour passer l’encre plus tard. Ensuite, l’épaisseur de l’encre est pesée et contrôlée. En fonction de l'épaisseur d'encre requise, 3 passes seront nécessaires.
Les encres sont ensuite séchées au four.



 
                                                                                                                                             
Cliché spécifique pour la sérigraphie
d’un heater ou élément hauffant.
              



9. PROFILOMÈTRE

Pour contrôler l'épaisseur et l'homogénéité de l'encre, le tape (ruban) imprimé est contrôlé par le Profilomètre, une machine qui, au moyen d'un laser, effectue un balayage micrométrique des sérigraphies pour vérifier l’impression.
 
 
 
 

 
 
 
 
                                                                                                                                                                       Profilomètre pour le contrôle des encres imprimées.

 
10. EMPILEMENT

Les feuilles définies dans la conception, ordonnées selon leur fonction dans le capteur, sont empilées. Tout est contrôlé par un système de code à barres.
Pour empiler les feuilles,  on enlève d’abord le convoyeur PET qui a accompagné le substrat céramique tout au long du processus. Le centrage se fait par les marques fiduciaires et il est contrôlé  par des caméras de vision artificielle. Les différentes feuilles sont placées l'une sur l'autre créant un substrat avec toutes les couches, qui abrite entre 60 et 90 capteurs.
L'empilement est réalisé par un bras robotisé qui optimise le travail.
 
Tapes (rubans) prêts à être empilés.
Le bras robotisé manipule les tapes (rubans) à empiler par aspiration d'air.


 
          
 
 
11. LAMINAGE

Ces substrats formés par 10 feuilles placées en couches est encore un matériau mou et malléable et les couches ne sont que provisoirement jointes.
Dans une presse de laminage isostatique, les feuilles sont soumises à une pression constante et homogène de 300 bars pendant ½ heure avec de l’eau à 70 °C, ce qui les rend parfaitement unies les unes aux autres.
 
 
 
 

 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Sac pour plastifieuse isostatique FAE.
 
 

12. PROTECTION

Une couche résistante est appliquée, à l'aide d'une autre machine de sérigraphie, pour protéger les électrodes et les parties du capteur qui seront exposées aux gaz d'échappement, prolongeant ainsi la vie utile du capteur.
 
 
 
 

 
 
 Intérieur de la machine de sérigraphie qui
applique la couche protectrice
sur les électrodes en platine.



 
13. INDIVIDUALISÉ

Avant le frittage de la céramique et pendant que le substrat est encore flexible, les capteurs sont prédécoupés en unités de 10 capteurs, ce qui facilitera leur manipulation ultérieure et les essais de leur fonctionnement.
 

 
 
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    Capteurs FAE prédécoupés.
 
 


14. FRITTAGE


Les capteurs prédécoupés sont placés dans un four où ils atteignent des températures allant jusqu'à 1500 °C pendant 2 à 3 heures, avec un système de contrôle de la température spécifique.
Lors de ce frittage, les molécules des matières organiques de la céramique s'évaporent et les solvants des encres et des matériaux durcissent.

 
Capteurs prêts pour le four et le frittage.
 

Intérieur du four où les capteurs sont soumis à des températures allant jusqu'à 1500°C pendant 3 heures.


 
                    
 
 
 
15. VÉRIFICATION

La résistance du capteur et de l'élément chauffant est vérifiée par groupes de 10 capteurs. Les capteurs sont amenés à des températures de fonctionnement élevées pour vérifier leur robustesse et leur fonctionnalité.
Les capteurs, après avoir été coupés un par un, sont maintenant prêts à être montés sur le groupe de capteurs correspondant, puis sur la sonde lambda de la voiture à laquelle ils sont destinés.






 
                                                                                                                                                                                                        Groupe de capteurs FAE.