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万物互联——柔性RFID之喷墨打印


作者:南山 来源:幂方科技 2018-11-30 11:17:23 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:

摘要:RFID又被称为无线射频识别技术,该技术可以通过无限信号进行目标物体的自动识别,并且通过读取器与目标物体进行数据的传输与交换。作为自动识别技术中的佼佼者,RFID在未来物联网领域具有非常广阔的应用前景。

关键词:RFID标签[1430篇]  喷墨打印[1篇]  读写器[887篇]  

  ???RFID又被称为无线射频识别技术,该技术可以通过无限信号进行目标物体的自动识别,并且通过读取器与目标物体进行数据的传输与交换。作为自动识别技术中的佼佼者,RFID在未来物联网领域具有非常广阔的应用前景。

  基本的RFID系统由两部分构成:问答器和应答器。问答器主要用于信息的录入和采集,而应答器则是通常所说的RFID标签,主要用来进行信息的存储于交换。

  RFID标签主要分为两部分:标签天线和芯片。RFID具有多种分类方式,如果根据工作频率的不同可以分为:低频RFID(LF)、高频RFID(HF)、超高频RFID(UHF)以及微波RFID。一般而言,RFID的读写距离与使用的频率有关系,频率越高读写距离越远,最高阶段可以高达数米。不过,目前RFID标签的价格比较高,特别是在天线工艺的制备上具有过程复杂、成本较高等缺点,因此不适合在低端物品上广泛使用,这就大大限制了RFID在未来万物互联时代的应用前景。传统的天线制备主要包括,化学蚀刻法、电镀法、丝网印刷以及凹版印刷等方法。蚀刻法和电镀法工艺复杂、成本高,且对环境污染较大。而丝印和凹印等方法制备的天线厚度15-20 μm,且柔性较差,所采用的贵金属消耗量较高,成本优势不明显。

  而随着印刷电子工艺,特别是喷墨打印工艺的日渐成熟,通过喷墨打印工艺制备柔性RFID标签天线,具有非常巨大的潜在优势:

  1. 喷墨打印墨水多为纳米级金属墨水,打印薄膜厚度较低,具有良好的柔性;

  2. 喷墨打印工艺属于一种数字化制备方式,不需要掩膜版、光刻、刻蚀等工艺,只需要在软件层面设计好图形,按需打印制备即可,简单快速,并且可以大幅度提高墨水实际利用率。

  通过以上分析可以看出,喷墨打印制备RFID天线的最核心技术就是喷墨打印用油墨。油墨性能可以直接影响喷墨打印天线的电阻和性能。目前常用的油墨主要分为金属基浆料、颗粒性墨水以及有机前驱体墨水。

  金属浆料

  金属浆料是应用于印刷天线的最广泛材料之一。通常由金属薄片(通常是银)、聚合物粘合剂材料和适当的溶剂组成。溶剂确保浆料可印刷,聚合物粘结剂用于保持浆料的稳定性,也用于调整油墨的粘度。金属薄片本身是油墨中主要的导电成分。

图1 金属浆料的结构示意图

图1 金属浆料的结构示意图纳米颗粒基墨水

  近年来,世界范围内直径小于100 nm的纳米颗粒的生产工艺日趋成熟。这种尺寸的纳米颗粒的胶体在悬浮液中非常稳定,因而在油墨中可以实现更高质量的质量分数负载。当金属纳米颗粒的直径大大减小到100纳米以下时,一个有趣的物理现象就会出现。由于粒子的直径减少,粒子的比表面积大幅增加。因而纳米粒子具有更强烈的表面属性。通原子在表面的结合能小于体系内部的结合能,因而当纳米颗粒尺度降低,特别是当颗粒直径低于10纳米时,许多金属纳米颗粒的熔点会显著下降。例如,直径为2 nm的金纳米颗粒的熔点会低于100℃。不过,熔点的降低会对电导率产生明显的影响。当由纳米颗粒组成的薄膜通过低温烧结,局部的纳米颗粒之间会相互连接,从而形成到导电通路,制备得到接近块体材料的电导率。

图2 打印层数与电导率的变化规律

图2 打印层数与电导率的变化规律有机金属前驱体墨水

  有机金属前驱体通常就是金属元素与各种有机官能团,通过化学过程结合而形成的化合物。有机金属前驱体通过特殊设计的化学结构处理后,有机金属分子的有机成分与金属化合键断裂,变成有机蒸汽挥发掉,留下金属导电薄膜。近年来,已有大量关于有机金属前体报道,不过在应用于天线打印过程中,仍会面临一些问题。有机金属前驱体化合物中金属元素的含量通常非常低,因而烧结之后的薄膜通常为多孔结构。并且这类墨水通常不太适合制备天线所需的厚膜。不过,近期已经有文献报道通过打印金属有机前驱体墨水作为种子层,然后经过后期化学镀从而制备高质量的薄膜天线。

图3 通过打印种子层制备天线用导电线路的过程示意图

图3 通过打印种子层制备天线用导电线路的过程示意图 

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