浅析RFID印刷天线技术及应用价值

2008-02-19 17:23:13来源: 中国自动识别技术

  RFID(Radio Frequency Identification)射频识别技术如今已成为各国关注的焦点,其系统的基本组件包括RFID电子标签、RFID读写器和天线。其中,天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。在RFID系统中,天线分为标签天线和读写器天线两种。标签天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片:发射时,把高频电流转换为电磁波;接收时,把电磁波转换为高频电流。   

  RFID天线有多种制作工艺,本文将对RFID天线的制作技术进行总结与分析,重点对RFID天线的最新的制作方法——RFID印刷天线及相关技术进行阐述,并展望其前景。

  三种RFID天线制作技术

  RFID天线制作技术主要有蚀刻法、线圈绕制法和印刷天线三种。其中,RFID导电油墨印刷天线为近年来发展的一种新技术。

  以上RFID标签天线的制作方法分别适用于不同频率的RFID电子标签产品。低频RFID电子标签天线基本是绕线方式制作而成,高频RFID电子标签天线利用以上三种方式均可实现,但以蚀刻天线为主,其材料一般为铝或铜,UHF RFID电子标签天线则以印刷天线为主。

  蚀刻法也称为减法制作技术。其制作流程如下(以铜质天线为例):首先在一个塑料薄膜上层压一个平面铜箔片;然后在铜箔片上涂覆光敏胶,干燥后通过一个正片(具有所需形状的图案)对其进行光照;放入化学显影液中,此时感光胶的光照部分被洗掉,露出铜;最后放入蚀刻池,所有未被感光胶覆盖部分的铜被蚀刻掉,从而得到所需形状的铜线圈。

  蚀刻印制天线因为其精度高,特性能够与读写机的询问信号相匹配,同时在天线的阻抗、应用到物品上的射频性能等都很好,但是它惟一的缺点就是成本太高。

  利用线圈绕制法制作RFID标签时,要在一个绕制工具上绕制标签线圈并进行固定,此时要求天线线圈的匝数较多(典型匝数50-l500匝)。这种方法用于频率范围在125-134 KHz 的RFID标签,其缺点是成本高,生产速度慢。

  印刷天线是直接用导电油墨在绝缘基板(薄膜)上印刷导电线路,形成天线和电路,又叫添加法制作技术。主要的印刷方法已从只用丝网印刷扩展到胶印、柔性版印刷、凹印等制作方法,较为成熟的制作工艺为网印与凹印技术。印刷技术的进步及其进一步应用于RFID天线的制作使RFID标签的生产成本降低,从而促进了RFID电子标签的应用。

  印刷天线本身与蚀刻天线、绕制天线相比,具有以下独特之处:

  一、印刷天线制造可更加精确地调整电性能参数,将卡片使用性能最佳化。

  RFID标签的主要技术参数有:谐振频率、Q值和阻抗。为了达到最优性能,所有RFID标签制造技术都可以采用改变天线匝数、天线尺寸大小和线径粗细的方法来获得。印刷天线技术还可以通过局部改变线的宽度,改变晶片层的厚度等精确调整到所需的目标值。

  二、印刷天线制造可以任意改变线圈形状,以适应用户表面加工要求。

  针对RFID卡片的多用途使用,以及各种个性化的要求越来越多,印刷天线可按要求方便地改变成任何形状,如不同曲率、角度的物体表面,以满足客户要求,而不降低任何使用性能。

  三、印刷天线可使用各种不同卡基体材料。

  印刷式天线可按用户要求使用不同卡体材料,除PVC(聚氯乙烯)外,还可使用PET-G(共聚酯)、PET(聚酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PC(聚碳酸脂)和纸基材料等。如果采用绕线技术,就很难用PC等材料生产出适应恶劣环境条件的RFID标签。

  四、印刷天线制造适合于各种不同厂家提供的晶片模块。

  随着RFID标签的广泛使用,越来越多的IC晶片厂家都加入到生产RFID晶片模块的队伍。由于缺乏统一的标准,电性能参数也不同,而印刷天线结构的灵活性,可分别与各种不同晶片以及采用不同封装形式的模块相匹配,以达到最佳使用性能。

  RFID导电油墨与印刷天线技术

  RFID印刷天线之所以具有强于传统天线的特点,主要取决于导电油墨的特性及其与印刷技术的完美结合。

  导电油墨由细微导电粒子或其他特殊材料(如导电的聚合物等)组成,印刷在柔性或硬质承印物上可制成印刷电路,起到导线、天线和电阻的作用。导电油墨从较大程度上决定了RFID印刷天线的阻抗这一关系RFID天线性能的重要参数。

  目前,富林特(Flint)公司、Parelec公司、杜邦(DuPont)公司、韩国ABC纳米技术公司、上海宝银公司、北京力拓达科技公司、武汉三莱科技发展有限公司分别研发了各种RFID印刷天线用导电油墨。

  根据制造工艺的不同,导电油墨可以分为间接法导电油墨和直接法导电油墨。

  按导电油墨中所含导电因子的成分,导电油墨包括碳浆油墨、铜浆油墨、银浆油墨和金浆油墨。由于银浆油墨有较低的电阻率,对于RFID标签而言是最佳的选择。另外由于铜氧化速度非常快,因此并不适合用于RFID天线的印刷。

  从未来的发展看,RFID印刷天线技术将成为主流的RFID天线制作技术,这源于利用导电油墨进行天线印刷的下列优势:

  成本低

  成本的降低主要取决于导电油墨材料和网印工序这两个方面的原因。从材料本身的成本上来讲,油墨要比冲压或蚀刻金属线圈的价格低,特别是在铜、银的价格上涨的情况下,采用导电油墨印刷法制作RFID天线不失为一种理想的替代方法;从材料耗用量上说,蚀刻要消耗大量金属,而导电油墨印刷天线电路速度快、材料省、成本低、效率高。

  网印工序之所以能降低成本,原因之一是引进印刷设备的投资比引进铜蚀刻设备要便宜得多。此外,由于印刷过程中无需因环保要求而追加额外的投资,故而生产及设备的维护成本比铜蚀刻方法也要低,从而也减少了标签的单件成本。

  导电性能好

  导电油墨干燥后,由于导电粒子间的距离变小,自由电子沿外加电场方向移动形成电流,因此RFID印刷天线具有良好的导电性能。

  操作容易

  印刷技术作为一种添加法制作技术,较之减法制作技术(如蚀刻)而言,本身是一种容易控制、一步到位的工艺过程。

  无污染

  铜蚀刻过程必须采用的光敏胶和其他化学试剂都具有较强的侵蚀作用,所产生的废料及排出物对环境造成较大的污染。而采用导电油墨直接在基材上进行印刷,无需使用化学试剂,因而具有无污染的优点。

  基材选择灵活多样

  导电油墨几乎能印刷在所有的承印材料上,包括聚酯、聚酰亚胺、ABS工程塑料、PVC (聚氯乙烯)、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、(涂料)纸板等。而铜蚀刻技术则只能采用具有高度抗腐蚀性的基材如聚酯,这类基材的价格一般要比印刷所选择的基材高。

  印刷的导电油墨天线还能够经受住更高的外部机械压力。此外,利用导电油墨制作的RFID标签印刷天线具有更好的弹性和更高的可靠性。

  在利用导电油墨印刷RFID天线时,以下几方面的操作需格外注意,以达到最好的印刷效果。

  操作环境:印刷环境的选择对印刷效果有直接的影响,应尽量减少印刷区的灰尘及异物污染,环境的要求至少是100000级以上的净化室。

  前处理:要保证印刷面清洁无污染、无油脂及氧化物等,印刷面处理后停留的时间越短越好,以防止被氧化或污染。

  稀释:油墨调好粘度后,加少量的稀释剂,可以改善自动印刷的印刷效果。用前须充分搅拌10分钟。

  预烘干:温度和时间可根据特定的生产工艺来调整。

  保存:温度在20-25度保存,避光、避热。

  由此可见,利用导电油墨制作RFID印刷天线时对工艺具有较高的要求。对于导电油墨本身而言,应具有附着力强、电阻率低、固化温度低、导电性能稳定等特性,以满足RFID天线的功能要求。

  RFID印刷天线应用价值

  RFID技术目前已应用于物流、零售、军事、城市管理、图书管理、食品安全追溯等多个领域。特别是在零售领域,RFID电子标签因技术先进和方便管理而被众多的零售商添加到商品包装上,以实时跟踪商品的流动情况。沃尔玛、麦德龙等国际大零售商都要求其供应商在其提供的商品上贴加RFID标签。

  因而,RFID及相关技术需不断进步,以适应不同行业不同领域应用需求。而利用导电油墨及先进的RFID天线印刷技术,可优化RFID电子标签的应用价值,进一步促进RFID的应用。所以,RFID天线印刷技术的应用价值,主要集中在以下两个方面:

  首先,降低标签成本,促进各行业RFID应用。

  标签成本高一直以来都是困扰RFID业界及用户的难题,RFID标签成本在RFID各个环节所占比重最大。因此,在RFID电子标签推广应用的过程中,如何降低标签的成本、完善性能,是当务之急。

  对于一般商品,RFID标签的使用会导致产品成本的提高从而阻碍了RFID技术的进一步应用。但导电油墨技术则可使RFID应用走出成本瓶颈。利用导电油墨进行RFID标签天线的印刷可大大降低HF及UHF天线的制作成本,从而降低RFID标签的总体成本。

  导电油墨RFID印刷天线已用于我国公交乘车系统中使用的RFID电子标签车票。医药及其它领域的产品防伪也是RFID电子标签可以大显身手的领域。标签价格的降低使之可以大规模的应用于医药、酒类等附加值高的产品的防伪系统中。

  其次,促进印刷产业的发展。

  RFID天线的制作除了导电油墨外,还需要借助于先进的印刷技术。这无疑为印刷行业拓宽了发展的方向和道路,使之不再仅仅局限于传统的纸面印刷,而是与自动识别行业、半导体行业等有了交叉点,可以促进各个行业的共同进步。

  另外,为配合RFID电子标签技术和导电油墨RFID印刷天线的发展,印刷行业将会不断研发更加先进的印刷技术,从而推动印刷行业自身的飞速发展。

  随着导电油墨及印刷技术的发展,RFID印刷天线技术将会得到普及和大规模的使用,RFID标签的成本将会进一步下降,从而推动RFID技术在更多领域的应用。

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关键字:印刷天线  匝数  蚀刻法  预烘干  共聚酯  承印物  应用价值  RFID技术  印刷产业

编辑:王婷婷 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/RFID/200802/article_1829.html
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