Identification avancée des polymères et des semi-conducteurs

Objectif

Les polymères et les semi-conducteurs sont des matériaux hautement fonctionnels qui constituent des composants essentiels des produits électroniques et électriques. La connaissance précise de leurs caractéristiques est fondamentale pour valider leur fonctionnalité et garantir des traitements adaptés, tant au stade de la fabrication qu’à celui de la gestion post-consommation de leur cycle de vie. Une solution de détection automatisée, sans contact et non destructive peut servir de cadre aux opérations industrielles en temps réel, comme l’exigent diverses applications dans les domaines de la production et de la gestion des déchets (notamment le recyclage).

Solution

Les mesures par spectroscopie Raman constituent une solution performante pour déterminer la composition détaillée des polymères et des matériaux semi-conducteurs.

Pour les polymères, les spectres Raman contiennent les informations nécessaires non seulement pour identifier les principaux types de polymères (par exemple PE, PP, ABS, PS, PC, PET, PVC, PMMA), mais aussi pour surmonter la difficulté d'identification des polymères noirs, des additifs et des mélanges de polymères, ce qui est essentiel pour un tri, un recyclage et un contrôle qualité de haute qualité. Pour les semi-conducteurs, les informations issues des mesures Raman permettent de détecter le type de semi-conducteur (par exemple Si, Si-C, saphir), y compris la présence et le type de dopants. Des temps d'intégration courts, combinés à la possibilité d'une intégration robotisée, permettent de mettre en place des solutions de détection agiles dans des environnements dynamiques, tels que le dessus de bandes transporteuses.

Les principaux avantages de notre tête de mesure Raman sont les suivants :

Le choix entre différentes puissances laser et différents temps d'intégration permet l'identification de plusieurs flux de matériaux qui ne peuvent être analysés par les solutions actuelles (polymères complexes difficiles à analyser, identification du type de semi-conducteur et de la présence/du type de dopants).
Possibilité d'intégrer le capteur à des bras robotiques avec obturateur automatique et signal de verrouillage pour la sécurité
Possibilité d'exploitation robotisée au sein d'un réseau de capteurs pour une classification avancée à haut débit de matériaux complexes (en lien avec une divulgation d'invention et une demande de brevet).
Interface logicielle permettant de sélectionner des « recettes » combinant différentes puissances laser et différents temps d'intégration en fonction de chaque flux

Exemple d'application

Des mesures Raman ont été réalisées dans le cadre dynamique de la caractérisation de flux de matériaux sur convoyeur à bande. En lumière ambiante, les signatures diagnostiques des principaux types de polymères ont pu être enregistrées avec un temps d’intégration de 0,5 s et un rapport signal/bruit suffisant pour permettre leur identification (voir fig. …). La puissance du laser peut être ajustée en fonction des besoins des types de matériaux sélectionnés, garantissant ainsi une acquisition optimale du signal pour de multiples flux de matériaux. Pour une caractérisation plus complète des flux de matériaux, il est possible d'intégrer le capteur Raman compatible avec les robots à d'autres capteurs d'imagerie (par exemple, des caméras RVB et des caméras hyperspectrales à réflectance). Dans un système intégré aussi complexe, une solution Raman montée sur robot offre une multitude d'options sur mesure pour améliorer la précision des résultats et élargir la gamme de matériaux détectables.

Fig. 1. Spectres Raman obtenus à partir d'étalons en plastique ABS blanc (en haut) et ABS noir (en bas). Durée d'acquisition : 250 à 500 ms.

L'identification de l'ABS est essentielle dans le recyclage des déchets électroniques, car ce matériau présente des caractéristiques spectrales communes avec d'autres polymères styréniques dans le domaine VNIR-SWIR (capteur le plus couramment utilisé dans l'industrie du recyclage des plastiques). Cela permet notamment de distinguer les polymères ABS des polymères PS.
Identification des empreintes polymères à partir de signaux acquis à des temps d'acquisition rapides (maximum : 500 ms).
Utilisation réussie de recettes pour l'acquisition de signaux d'échantillons du même type de plastique, mais de couleurs différentes (ABS blanc vs ABS noir).
Acquisition de caractéristiques spécifiques aux polymères dans des échantillons contenant des pigments blancs et présentant de larges bandes de fluorescence (de 1600 à 2000 cm-1) -> ABS blanc
Acquisition de caractéristiques spécifiques au polymère dans des échantillons contenant des pigments noirs et présentant une forte absorption de la lumière d'excitation, sans endommager le matériau -> ABS noir (temps d'acquisition de 500 ms).
Point fort : conditions de mesure adaptées aux configurations en temps réel et dynamiques, temps d'intégration court et puissance laser réglable

Fig. 2. Spectres Raman obtenus à partir d'étalons en plastique HDPE transparent (en haut) et HDPE noir (en bas). Durée d'acquisition : 500 ms.

Identification des caractéristiques diagnostiques du HDPE sur des échantillons de référence transparents et noirs.
HDPE transparent : aucune influence des matériaux de fond n'est observée dans les spectres finaux (cela signifie que la présence d'un tapis roulant ou d'un autre fond de couleur sombre n'a pas d'impact sur la collecte du signal).
HDPE noir : en fonction de la quantité de pigments foncés et d'autres absorbants, l'acquisition du signal peut être affectée (voir le faible rapport signal/bruit pour la caractéristique PE-2). Néanmoins, les autres empreintes liées au PE ont présenté un bon rapport signal/bruit, ce qui permet d'identifier le type de polymère même dans des conditions difficiles.

Exemple d'identification du type de semi-conducteur (Si et 4H-SiC) à l'aide de la tête de mesure RAMSES.

Produits correspondants

Série RAMSES RAMSES-4-CE

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