噴墨打印技術(shù)在射頻標識（RFID）上的應(yīng)用

2021-07-07 09:45 睿度光電RUIDU

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噴墨打印技術(shù)是一種非接觸式的數(shù)字化無版印制工藝。實驗結(jié)果表明，按需微噴射導(dǎo)電銀墨水制備RFID標簽天線的方法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、液滴微噴射精確、便于制備任意天線圖形等特點；制備的天線尺寸可控、導(dǎo)電性高、阻值均一性好，并具有較好的天線性能。

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種利用無線電波進行通信的非接觸自動識別技術(shù)，信息技術(shù)的飛速發(fā)展使RFID在生產(chǎn)管理、醫(yī)療衛(wèi)生、交通管理及物流供應(yīng)鏈等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標簽進入閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

RFID標簽天線是按照射頻識別所要求的功能而設(shè)計的電子線路，其性能對RFID系統(tǒng)的性能有著重要影響。目前，RFID標簽天線的制備方法主要有蝕刻法、電鍍法及導(dǎo)電油墨印刷法等。其中，蝕刻法存在成本高、生產(chǎn)流程復(fù)雜、生產(chǎn)過程慢、精度較低及環(huán)境污染等問題；電鍍法的小量生產(chǎn)成本昂貴，但大批量生產(chǎn)所需的設(shè)備投資又較高。導(dǎo)電油墨印刷法按照印制設(shè)備原理可分為絲網(wǎng)印制、凹版印制、柔性版印制和噴墨印制。其中，絲網(wǎng)印刷工藝精度可達10μｍ，具有較高的天線制備精度，但采用的油墨一般為高黏度油墨，墨層厚度較大，不適用于超高頻、微波段墨層較薄的天線印制。凹版印制工藝可以獲得較好的圖形分辨率，印制油墨的層厚適中，但印制過程中印制壓力大，可能使天線發(fā)生扭曲變形而影響天線的性能。柔性版印制基底材料適用廣泛，但印制過程中的印制壓力會使印版變形，造成制備的天線邊緣均一性差，降低天線成品率。噴墨印制法是一種非接觸式的數(shù)字化無版印制工藝，其制備過程中噴頭與基底不接觸，避免了微噴頭的損壞和導(dǎo)電油墨被污染，對基底表面不產(chǎn)生壓力，提高了制備穩(wěn)定性和精度；可以使用較低黏度的墨水；無需制版，簡化了印制過程；對天線圖形可以在線修改，提高了天線制備的靈活性。

圖1為RFID標簽天線的按需噴墨打印的制備系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由控制電路、運動控制及噴頭裝置組成。通過調(diào)節(jié)控制波形、驅(qū)動電壓幅值和驅(qū)動頻率等控制參數(shù)，以液滴的形式打印在基底上。整個過程可以將墨水按需打印出所需要的圖形。

▲ 圖1 RFID天線制備系統(tǒng)圖

在射頻識別技術(shù)的早期，天線技術(shù)大量利用了印刷電路板制造中使用的技術(shù)。在典型的印刷電路板的制造中，布線圖案是在涂有銅的絕緣基板上用平版印刷法形成的。然后使用銅蝕刻溶液（通常為氯化鐵）對其進行蝕刻。這種工藝*容易移植到射頻識別天線的生產(chǎn)中，實際上，迄今為止制造的絕大多數(shù)射頻識別標簽都使用蝕刻的銅天線結(jié)構(gòu)，或者類似的，使用切割的鋁天線結(jié)構(gòu)。銅和鋁*有優(yōu)勢，因為它們的電阻率非常低，這確保了與天線結(jié)構(gòu)相關(guān)的串聯(lián)電阻**化。這一點*重要，因為天線的串聯(lián)電阻直接影響標簽從閱讀器獲取能量的效率，這降低了標簽的有效工作范圍。但是，蝕刻銅是一個相對昂貴的過程。首先，蝕刻工藝之前的光刻通常需要至少四個步驟（沉積抗蝕劑、曝光、顯影、蝕刻、剝離），增加了其整體工藝成本。更重要的是，蝕刻過程會產(chǎn)生大量廢料（亞鐵鹽和銅鹽），減少和處理這些廢料的成本*高。因此，蝕刻天線的總成本對于廉價的標簽來說通常太高，因此降低天線的制造成本是發(fā)展射頻識別技術(shù)的關(guān)鍵因素。

考慮到與蝕刻銅技術(shù)相關(guān)的高成本，低成本的噴墨打印技術(shù)顯然是**的替代方案。從概念上來說，印刷是蝕刻銅技術(shù)的替代產(chǎn)品；代替光刻構(gòu)圖和蝕刻天線導(dǎo)體。材料的選擇和印刷技術(shù)也是相輔相成的。一般來說，印刷材料的電阻率會高于蝕刻銅。因此，盡管印刷天線已經(jīng)穿透了超高頻天線空間，但高頻天線空間的穿透通常是滯后的，因為后者施加了更嚴格的電阻率要求，于是納米銀打印技術(shù)應(yīng)運而生，噴墨打印的納米銀天線電阻率甚至低于刻蝕銅的電阻率。

噴墨打印是一種DOD（Drop on Demand）的過程，通過噴頭將墨水沉積到基底上。逐滴方法的使用對天線制造有幾個后果。首先，噴墨通常比任何其它打印技術(shù)都更好。因此，有可能生產(chǎn)出兼容的新材料。這允許實現(xiàn)更高導(dǎo)電性的噴墨打印圖案。但是，噴墨打印也有自身的缺點。首先，穩(wěn)定性是最常見的一個問題，盡管這個問題正在通過生產(chǎn)專門為電子應(yīng)用設(shè)計的先進噴頭來解決。其次，由于噴墨使用逐滴的方法，它通常需要多次打印才能產(chǎn)生相對較厚的薄膜。大多數(shù)噴墨線條的厚度小于1μm。這反過來又會降低過程吞吐量。第三，由于噴墨往往是一種相對較慢的技術(shù)，有必要使用大陣列的噴頭來生產(chǎn)高通量噴墨系統(tǒng)；對于電子產(chǎn)業(yè)來說，盡管頁面寬度的頭已經(jīng)在圖形藝術(shù)行業(yè)中使用，這種大陣列頭的可制造性和工藝穩(wěn)定性仍然是不確定的。然而，噴墨打印確實保留了一些優(yōu)勢。由于它能夠在油墨中不含粘合劑的情況下沉積材料，所得薄膜在性質(zhì)上接近純金屬。因此，近年來，噴墨也被用于沉積薄的金屬種子層，隨后電鍍以產(chǎn)生更厚的薄膜。

▲ 圖2 在天線制備中使用噴墨打印制作種子層的工藝示意圖

總之，隨著5G，loT（Internet of Things）的發(fā)展和應(yīng)用，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活中的方方面面。不僅是服裝行業(yè)取代條形碼記錄信息，在物流行業(yè)、安防、門禁等都**受歡迎，RFID技術(shù)都發(fā)揮良好。

參考文獻：

[1] 楊利軍, 李茜, 朱曉陽,等. 射頻識別標簽天線的按需微噴射制備[J]. 光學(xué)精密工程, 2016, 24(001):73-82.