RFID天線印刷質量參數(shù)的研究與分析

文 陳峰 呂巖鳳 趙晨飛

RFID是一種快速、非接觸式信息采集與處理的新興技術，在產(chǎn)品包裝、交通運輸、商品防偽、超市管理等行業(yè)范圍得到應用，印刷電子是將功能性材料直接通過導電油墨印制而成，與傳統(tǒng)制造方法相比，印刷電子具有無可比擬的優(yōu)勢，特別是在大面積、低成本、柔性化和環(huán)保方面。

用印刷的方法生產(chǎn)制作標簽天線時，一般天線種類主要是線圈天線、偶極子天線和微帶貼片天線三種。本論文重點研究分析了線圈天線，絲網(wǎng)印刷技術具有較強的導電油墨墨層厚度、墨層覆蓋力和遮蓋力、印刷時不受承印物的形狀和材料的限制、能夠進行批量生產(chǎn)等優(yōu)勢。一般在用印刷的方式印制標簽天線時標簽天線由于工作頻率的不同，要求印制的導電油墨的墨層厚度各異，而如果絲網(wǎng)印刷來印制的話，就可以根據(jù)天線的中心工作頻率合理的調(diào)制導電油墨的厚度，以達到要求的天線頻率。

天線線圈工作要求滿足尺寸較小、受環(huán)境影響小、成本和阻抗低，而作為讀寫器和發(fā)射芯片之間媒介的天線線圈，其參數(shù)性能好壞決定了信息傳遞的準確性和有效性。智能標簽根據(jù)供電方式分為有源、無源標簽，有源標簽內(nèi)部有電池供電，識別距離較遠，但是由于電池具有一定的壽命，以至于使有源標簽有一定的使用限制，而無源標簽內(nèi)部沒有供電電池芯片，工作時需靠外界提供能量才能使系統(tǒng)進行正常工作，但是可靠性好，價格便宜。

利用導電油墨進行天線印刷優(yōu)勢：一是成本低。主要取決于導電油墨材料和網(wǎng)印工序這兩個方面的原因。二是導電性能好。由于導電粒子間的距離變小，自由電子沿外加電場方向移動形成電流，因此RFID印刷天線具有良好的導電性能。三是底材選擇靈活多樣。網(wǎng)印能夠將導電油墨印刷在幾乎所有的承印材料上，以制得所需要的天線。四是綠色環(huán)保。網(wǎng)印采用導電油墨直接在底材上進行印刷，無需使用化學試劑。而金屬天線的生產(chǎn)過程中都需要采用光敏膠及其他化學試劑，這些化學試劑具有較強的腐蝕作用。

1．實驗設計

實驗設備：平面絲網(wǎng)印刷機、烘箱、絲網(wǎng)網(wǎng)版若干（分辨率200S目/inch），木框內(nèi)徑30×42cm，最大可印圖文尺寸20×32cm。

實驗材料：原裝進口導電碳油（JW-001，參數(shù)信息見表1）、

承印材料對天線線圈印刷質量的品質影響

膠版紙、銅版紙、PET薄膜若干。

表1 導電碳油產(chǎn)品參數(shù)信息

實驗儀器：萬用表、膜厚儀、游標卡尺。

實驗內(nèi)容：用200目規(guī)格的絲網(wǎng)網(wǎng)版，印制20款不同寬度的天線線條100份，寬度分別為0．5mm、1mm、1．5mm、2mm、2．5mm、3mm、3．5mm、4mm、4．5mm、5mm、5．5mm、6mm、6．5mm、7mm、7．5mm、8mm、8．5mm、9mm、9．5mm、10mm，用以研究天線線圈寬度變化對阻抗的影響。每一款的長度分別為10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，用以研究天線線圈長度變化對阻抗的影響，印制的天線線條置于120℃烘箱內(nèi)30min。

實驗測量：用游標卡尺測量每一份直導線實際寬度，記錄數(shù)據(jù)并比較前后差值。用萬用表電阻檔測量每一份直導線實際阻抗值，記錄數(shù)據(jù)并比較前后差值。用膜厚儀測量每一份直導線的膜層厚度，記錄數(shù)據(jù)比較與理論值的差值。計算絲網(wǎng)網(wǎng)版印刷的每種承印物100份直導線的平均厚度、寬度及阻抗。

實驗設計思路：同一種分辨率的絲網(wǎng)網(wǎng)版、不同的承印物（膠版紙、銅版紙、PET薄膜），其他的印刷參數(shù)都相同，通過測量印刷后的直導線寬度、阻抗及膜層厚度，處理數(shù)據(jù)得到100份直導線參數(shù)的均方差。

圖1 網(wǎng)版上印制的不同長度和寬度的導線

2．實驗數(shù)據(jù)

2．1 膜層厚度

在相同的印刷條件下，承印物種類不同，實驗數(shù)據(jù)表明，膜層厚度大小排序為PET薄膜＞膠版紙＞銅版紙。

2．2 寬度

絲網(wǎng)印刷直導線寬度與理論值的差異和膜層厚度與理論值的差異在某種程度上是相關的，寬度大小排序：銅版紙＞膠版紙＞PET薄膜。

2．3 阻抗

本實驗使用的是導電炭黑，其印刷到承印物（銅版紙、膠版紙、PET等）上后，可起到直導線的作用。實驗數(shù)據(jù)可知，承印物阻抗大小排序為：膠版紙＞銅版紙＞PET薄膜。

2．4 均方差

前面已經(jīng)分析承印物直導線印刷質量的三個關鍵判據(jù)，并通過實驗結果的分析，定量評價了不同承印物直導線印刷質量的三個關鍵性判據(jù)。直導線的寬度偏差反映了承印物設計寬度與實際寬度的一致性，直導線的厚度偏差值反映了承印物設計厚度與實際厚度的一致性，直導線阻抗反映了承印物的邊界廓形狀保持能力和質地致密性。有了這些定量的分析與評價，可以很容易得出不同承印物印刷直導線的性能差異?；谝陨戏治觯疚挠媚珜印皩挾炔钪怠?、“厚度差值”及“阻抗差值”的均方差值作為直導線印刷質量定量評價的指標。其數(shù)學模型為：

式中：△H為印刷實際厚度與設計厚度差值，反映了不同承印物直導線設計厚度與印刷膜層實際厚度的差異；△W印刷實際寬度與設計寬度差值，反映了不同承印物直導線設計寬度與印刷膜層實際寬度的差異；△R為阻抗偏差，反映了不同承印物直導線設計阻抗與印刷膜層實際阻抗的差異，δ代表墨膜的印刷品質參數(shù)。

其中，△H=H2-H1，H2是直導線實際印刷膜層厚度，H1是直導線絲網(wǎng)印刷理論膜層厚度，單位為μm。

△W=W2-W1，W2是直導線膜層實際測量寬度，W1是直導線絲網(wǎng)印刷設計膜層寬度，單位為mm。

△R=R2-R1，R2是直導線膜層實際測量阻抗，R1是直導線絲網(wǎng)印刷理論膜層阻抗，單位為mm。

式中，ρ是導電碳油印刷直導線膜層的理論方阻值，單位為Ω/m2。本實驗用的是導電碳油，理論方阻值為40Ω。L為承印物印刷直導線膜層的實際長度，近似為導線的設計長度，單位為mm，實驗中印刷直導線理論阻抗值都是通過這個公式計算出來的。本實驗每一直導線寬度對應設計了5組直導線線條，分別為10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，用于研究分析寬度一定時，長度與阻抗的線性關系。

由實驗可知，不同承印物直導線均方差大小排序為：PET薄膜＜銅版紙＜膠版紙，均方差反映了承印物印刷直導線的印刷品質，計算均方差越小，印品質量越好。銅版紙的均方差雖然大于PET薄膜，但是銅版紙可回收性強，論文重點對銅版紙作為承印材料的其他影響因素進行研究。

印制干燥時間對銅版紙直導線阻抗的影響

通過印刷大量不同寬度、長度的RFID直導線，研究分析直導線與其阻抗之間的內(nèi)在聯(lián)系。實驗表明直導線阻抗值與膜層烘干時間呈線性相關，當膜層寬度處于0．5-2mm、烘干時間小于15分鐘時，直導線阻抗隨干燥時間增加而急劇減少，導電性能急劇增大，在5-15min均十分陡峭。當烘干時間大于15min后，直導線阻抗繼續(xù)降低，但是只發(fā)生細微的變化。當烘干時間達到35分鐘時，印刷直導線幾乎不因烘干時間的變化而變化。當膜層厚度處于2-10mm時、烘干時間小于15分鐘時，直導線阻抗隨干燥時間增加而緩慢降低，導電性能緩慢增大，雖然增大也只是發(fā)生細微的變化。當烘干時間達到15分鐘時，印刷直導線幾乎不因烘干時間的變化而變化，在此區(qū)間趨于水平。也就是說當印制直導線的寬度較小時（0．5-2mm），直導線阻抗下降趨勢較快；當天線寬度大于2mm時，阻抗隨烘干時間變化的幅度較小。

絲網(wǎng)網(wǎng)版分辨率對銅版紙?zhí)炀€印刷品質的影響

圖2中①為天線的底層導線，用導電碳漿印刷在承印物上，②套印在銀色導線上，為中間過橋部分，用絕緣油墨印刷；③是天線的頂層導線，用導電油墨印刷，套印在綠色絕緣層上，使銀色導線的首尾兩端點接近，這就構成了一個RFID標簽的天線。使用時，將儲存了大量數(shù)據(jù)信息的微型芯片的兩觸點連接于導線上，就構成了一個RFID標簽的應答器。

圖2 RFID天線線圈

1．寬度

分析得到，印刷膜層寬度擴大率與網(wǎng)版分辨率成反比，具有高分辨率的網(wǎng)版得到的墨膜寬度與設計偏差小，而具有低分辨率的網(wǎng)版天線線圈寬度變化就大一些。實驗數(shù)據(jù)表明，銅版紙100目的網(wǎng)版印制天線線寬大致在1．3mm左右上下波動，200目的網(wǎng)版印制天線線寬大致在1．1mm左右上下波動，300目的網(wǎng)版印制天線線寬大致差異變化0．02mm左右。

2．膜層厚度

在其他印刷條件相同的情況下，僅改變網(wǎng)版的分辨率，測量銅版紙的墨層厚度，分析墨層厚度與網(wǎng)版分辨率之間的關系。由不同分辨率膜層厚度變化得知網(wǎng)版目數(shù)與墨層厚度之間存在著一定線性關系，實驗發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)版目數(shù)為低目數(shù)，即實驗中的在100、200目/英寸時，墨層厚度的值在10-16μm左右上下波動，當網(wǎng)版目數(shù)為300目/英寸時，墨層厚度的值在6μm左右上下波動，也就是說隨著網(wǎng)版分辨率的增加，膜層厚度出現(xiàn)明顯的下降。印品100-300目銅版紙均勻減小，而采用200、300目/英寸的網(wǎng)版印刷得到的天線的墨層厚度均勻，其天線結構能滿足RFID標簽的工作要求。

3．阻抗

印刷天線線圈樣品，天線的長度、寬度均相同，墨層厚度通過改變網(wǎng)版分辨率來實現(xiàn)變化。采用不同分辨率的網(wǎng)版印刷能得到不同墨層厚度的天線線圈，測量同一個墨層厚度的每一段天線的電阻然后取平均值，研究分析不同天線墨層厚度與阻抗的關系。在圖2所示的天線線圈拐點處選取多個點，測得不同距離的端點與末端點之間的電阻值。

由銅版紙的測試實驗數(shù)據(jù)可知，隨著測量天線線圈長度的增加，其電阻阻抗值會持續(xù)增加，與導電金屬的電阻值變化規(guī)律相一致。隨著網(wǎng)版分辨率增大，銅版紙承印物上天線線圈阻抗值先出現(xiàn)明顯的減少，最后出現(xiàn)明顯的回升現(xiàn)象，阻抗值在某一范圍內(nèi)波動。在200目-300目時，天線線圈印刷膜層厚度減少，并存在一部分導電粒子進入到承印物內(nèi)部結構，導致導電粒子的導電鏈狀結構發(fā)生改變，減少了導電粒子的導電通路，這個時候膜層厚度為影響阻抗的主要因素以至于阻抗值又發(fā)生回升現(xiàn)象。

結論

本文通過設計印刷直導線和天線線圈，測量天線印后寬度、膜層厚度、阻抗幾個關鍵性能指標，分析印刷導線的承印物質量。并對銅版紙，分析不同干燥條件、網(wǎng)版分辨率對印刷質量的影響。

經(jīng)過研究分析，承印物銅版紙、PET均可用于天線印刷質量。提出RFID標簽天線線圈印品膜層最佳干燥時間35min、最佳干燥溫度120℃、網(wǎng)版分辨率300目/inch時印刷質量好。