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无线射频识别(RFID)技术及其标签生产新工艺概述
来源: 时间:2014-03-25 阅读次数:1479
内容摘要: 40年代初期,雷达的改进和应用催生了无线射频识别(RFID)技术。经历漫长的探索阶段,目前, RFID已经在公共安全、生产制造、物流管理等领域起到了举足轻重的作用。 1. RFID系统原理 无线射频识别(RFID,Radio Frequen...

40年代初期,雷达的改进和应用催生了无线射频识别(RFID)技术。经历漫长的探索阶段,目前, RFID已经在公共安全、生产制造、物流管理等领域起到了举足轻重的作用。

1. RFID系统原理

无线射频识别(RFIDRadio Frequency Identification)技术是一项非接触式自动识别技术,它通过空间耦合(交变磁场或电磁场)自动识别目标对象并获取相关数据,以达到目标识别和数据交换的目的,识别工作无需人工干预。

RFID系统的基本工作原理可以通过图1进行阐述:阅读器将要发送的信号,经编码后加载在某一频率的载波信号上由天线向外发送,进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号,标签内芯片中的有关电路对此信号进行解调、解码、解密,然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令,控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息,经加密、编码、调制后通过电子标签内天线再发送到阅读器,阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央处理系统进行有关数据处理;若为修改信息的写命令,有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压,提供擦写EEPROM中的内容进行改写,若经判断其对应的密码和权限不符,则返回出错信息。

 

1  RFID系统组成

2. RFID系统的应用范围

国际物联网时代即将到来,据悉,RFID技术已在欧美市场广泛应用,随着中国市场RFID技术的日趋成熟和RFID标签价格的降低,RFID电子标签将替代传统的一维条形码和二维码。如果说二维码是一维码标签的延伸,那RFID的诞生就是标签行业的一场革命。其应用领域主要在以下方面:

2.1 物流管理

物流是RFID最大的市场应用空间,可以极大地提高物流环节的效率,并为实现零库存提供技术保障。全球零售业巨头沃尔玛以及德国麦德龙极力推广RFID标签的应用,均已实现在超市中利用RFID技术来实现产品识别、反偷窃、实时库存和产品有效期控制。

2.2 食品安全

食品安全问题是一个国家的民生大事,RFID技术可以通过对食品的种植、养殖过程进行全程的管理记录以及对食品流通的环节进行正像跟踪和逆向追溯,全方位保证食品安全。

2.3 商品防伪

    商品防伪能保障正常的市场秩序与消费信誉,具有巨大的市场空间。采用RFID防伪技术与无线通讯网络可以在任何时间、任何地点实现商品的质量鉴定。目前已在烟酒医药商品上进行试点。

2.4 其他领域的应用

RFID具有着非常广泛的应用空间,比如在交通管理、军品管理、安防、动物养殖与宠物管理、图书馆管理等领域,都具有潜在的巨大的应用前景。

3. RFID标签天线制备技术

影响RFID推广的核心问题在芯片技术以及成本。如下图所示,RFID电子标签主要由底材、天线及芯片组成,天线层是主要的功能层,其目的是传输最大的能量进出标签芯片。与传统蚀刻法、绕线法相比,标签天线的直接印制法大大节约了成本。

2  电子标签内部结构

3.1 标签天线的传统制造工艺

1)采用蚀刻方式加工制备标签天线

天线在蚀刻前应先印刷上抗蚀膜,首先将PET薄膜片材两面覆上金属(如铜、铝等)箔,然后采用印刷法(丝网印刷、凹印等)或光刻法,在基板双面天线图案区域印刷抗蚀油墨,用以保护线路图形在蚀刻中不被溶蚀掉,然后进行蚀刻,即将印刷油墨图案已固化的片材浸入蚀刻液中,溶蚀掉未印刷抗蚀油墨层区域的金属,然后再去除薄膜片材天线图案金属层上的抗蚀刻油墨,这样就得到了标签天线;或者采用光刻法,在覆铜基板表面预先涂布光敏抗蚀膜,并用相应的掩膜覆合曝光,经过显影腐蚀,除去版上残留抗蚀膜,就得到一个完整的天线图形。

 

 

3 蚀刻法制备RFID标签天线的工艺流程

 

2)绕线法制备标签天线工艺

目前,铜导线绕制RFID标签天线的制造工艺通常是使用自动绕线机进行,即直接在底基载体薄膜上绕上涂覆了绝缘漆,并使用低熔点烤漆的铜线作为RFID标签天线的基材,最后用粘合剂对导线与基材进行机械固定。其工艺流程如图4所示。该方法可靠性较高,但对于RFID电子标签来说,成本太高。

4 绕线法制备RFID标签天线工艺流程

3.2 标签天线印制工艺

基于传统标签天线制备方法中存在的污染环境、成本较高的弊端,且工艺复杂,成品制作时间长,必将被新的工艺所替代。采用印刷方式直接印制RFID标签天线是一种环保节能、低成本的制造工艺。现有可行的印制RFID标签天线的印刷方式有丝网印刷和喷墨印刷。

  1. 丝网印刷法制备天线

    丝网印刷是使用模版直接印刷的过程,即用导电油墨直接印刷在纸基或塑料薄膜卷材上,其一般工艺流程为:

     

    标签天线的丝网印刷就是把导电油墨由网版的另一侧以刮板将油墨扫压过网版,而油墨则穿透过网版上天线图样的网孔间隙,粘印在被印刷的底材上。在进行RFID的标签天线印刷时,由于不同工作频率的RFID标签的天线线圈将对应不同的圈数、线圈厚度和每一圈之间的距离(如HF波段使用13.56 MHz的芯片,通常它要求线圈圈数为6,厚度约为20μmUHF波段使用868 MHz950 MHz的芯片,线圈截面厚度约为4 μm),故所印刷的墨层厚度、每一道线的宽度和干燥后的图形轮廓都有严格的允差范围(如:两次重叠套印的误差必须在0.1mm之内)

    5 丝网印刷制备标签天线工艺

    网版印刷的墨层厚度最多可以达到100μm,是柔印、胶印和凹印的好几倍,这对于用导电油墨印刷标签天线是十分有利的。实际印刷电路生产中,墨层厚度的要求一般在8~12μm,其干燥方式则可以采用UVIR及热风等方式来完成。

  2. 喷墨印刷法制备天线

    丝网印刷在一定程度上节约了成本,但其油墨采用70%左右的高银含量的导电银浆,得到15~20μm之间的天线,属于厚膜印刷方式,成本高,且印刷过程中有溶剂排放,墨层柔顺性较差。采用喷墨打印机制备导电线路,只需要根据计算机系统设计的图案,由喷墨打印机的喷头将导电墨水喷涂到基板上而形成导电线路。喷墨印刷方式作为非传统印刷,在天线制作方面由于其制作周期短、无污染、成本低等特性被广泛关注。国内外很多知名院校、研究所长期致力于喷墨导电墨水的研究,取得了显著的成就。北京印刷学院以李露海教授为带头人的科研团队成功研制出导电膜厚度在1μm左右,电阻达到1Ω 左右的喷墨导电墨水;美国Kovio公司在2008年推出了用喷墨打印纳米硅墨水制备的RFID,成为喷墨打印墨水第一个商业成功的案例;韩国顺天大学2009年研制出基于碳纳米管墨水的全印刷1-bit射频标签。

    采用喷墨印刷来进行RFID标签的制作可分为三种方式:①使用喷墨印刷方式把抗蚀油墨、阻焊油墨和字符油墨等喷射到覆铜板上,经过固化后得到成品;②采用含有纳米金属颗粒的导电墨水直接将电路图形喷在聚酯片基上,经过低温烧焙固化,形成电路;③通过采用相应特性的墨水,使用喷墨印刷的方法制造RFID标签中的电容器及电阻器等电子器件。与传统的印刷方式相比,采用喷墨印刷的方式可以达到更快的生产速度,印刷成本也有所降低,更重要的能够增加其布线密度,提高成品质量。

4. 展望

RFID电子标签以其独特的优势,逐渐应用在各领域。人们致力于研究解决传统制备方式存在的弊端,喷墨印刷作为标签天线新技术,依托成本低、导电性好、无污染以及天线图案易控制等优点,将使RFID技术更广泛的应用到生活的各个领域。

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