RFID天线印刷质量参数的研究与分析

文 陈峰 吕岩凤 赵晨飞

RFID是一种快速、非接触式信息采集与处理的新兴技术，在产品包装、交通运输、商品防伪、超市管理等行业范围得到应用，印刷电子是将功能性材料直接通过导电油墨印制而成，与传统制造方法相比，印刷电子具有无可比拟的优势，特别是在大面积、低成本、柔性化和环保方面。

用印刷的方法生产制作标签天线时，一般天线种类主要是线圈天线、偶极子天线和微带贴片天线三种。本论文重点研究分析了线圈天线，丝网印刷技术具有较强的导电油墨墨层厚度、墨层覆盖力和遮盖力、印刷时不受承印物的形状和材料的限制、能够进行批量生产等优势。一般在用印刷的方式印制标签天线时标签天线由于工作频率的不同，要求印制的导电油墨的墨层厚度各异，而如果丝网印刷来印制的话，就可以根据天线的中心工作频率合理的调制导电油墨的厚度，以达到要求的天线频率。

天线线圈工作要求满足尺寸较小、受环境影响小、成本和阻抗低，而作为读写器和发射芯片之间媒介的天线线圈，其参数性能好坏决定了信息传递的准确性和有效性。智能标签根据供电方式分为有源、无源标签，有源标签内部有电池供电，识别距离较远，但是由于电池具有一定的寿命，以至于使有源标签有一定的使用限制，而无源标签内部没有供电电池芯片，工作时需靠外界提供能量才能使系统进行正常工作，但是可靠性好，价格便宜。

利用导电油墨进行天线印刷优势：一是成本低。主要取决于导电油墨材料和网印工序这两个方面的原因。二是导电性能好。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。三是底材选择灵活多样。网印能够将导电油墨印刷在几乎所有的承印材料上，以制得所需要的天线。四是绿色环保。网印采用导电油墨直接在底材上进行印刷，无需使用化学试剂。而金属天线的生产过程中都需要采用光敏胶及其他化学试剂，这些化学试剂具有较强的腐蚀作用。

1．实验设计

实验设备：平面丝网印刷机、烘箱、丝网网版若干（分辨率200S目/inch），木框内径30×42cm，最大可印图文尺寸20×32cm。

实验材料：原装进口导电碳油（JW-001，参数信息见表1）、

承印材料对天线线圈印刷质量的品质影响

胶版纸、铜版纸、PET薄膜若干。

表1 导电碳油产品参数信息

实验仪器：万用表、膜厚仪、游标卡尺。

实验内容：用200目规格的丝网网版，印制20款不同宽度的天线线条100份，宽度分别为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，用以研究天线线圈宽度变化对阻抗的影响。每一款的长度分别为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，用以研究天线线圈长度变化对阻抗的影响，印制的天线线条置于120℃烘箱内30min。

实验测量：用游标卡尺测量每一份直导线实际宽度，记录数据并比较前后差值。用万用表电阻档测量每一份直导线实际阻抗值，记录数据并比较前后差值。用膜厚仪测量每一份直导线的膜层厚度，记录数据比较与理论值的差值。计算丝网网版印刷的每种承印物100份直导线的平均厚度、宽度及阻抗。

实验设计思路：同一种分辨率的丝网网版、不同的承印物（胶版纸、铜版纸、PET薄膜），其他的印刷参数都相同，通过测量印刷后的直导线宽度、阻抗及膜层厚度，处理数据得到100份直导线参数的均方差。

图1 网版上印制的不同长度和宽度的导线

2．实验数据

2．1 膜层厚度

在相同的印刷条件下，承印物种类不同，实验数据表明，膜层厚度大小排序为PET薄膜＞胶版纸＞铜版纸。

2．2 宽度

丝网印刷直导线宽度与理论值的差异和膜层厚度与理论值的差异在某种程度上是相关的，宽度大小排序：铜版纸＞胶版纸＞PET薄膜。

2．3 阻抗

本实验使用的是导电炭黑，其印刷到承印物（铜版纸、胶版纸、PET等）上后，可起到直导线的作用。实验数据可知，承印物阻抗大小排序为：胶版纸＞铜版纸＞PET薄膜。

2．4 均方差

前面已经分析承印物直导线印刷质量的三个关键判据，并通过实验结果的分析，定量评价了不同承印物直导线印刷质量的三个关键性判据。直导线的宽度偏差反映了承印物设计宽度与实际宽度的一致性，直导线的厚度偏差值反映了承印物设计厚度与实际厚度的一致性，直导线阻抗反映了承印物的边界廓形状保持能力和质地致密性。有了这些定量的分析与评价，可以很容易得出不同承印物印刷直导线的性能差异。基于以上分析，本文用墨层“宽度差值”、“厚度差值”及“阻抗差值”的均方差值作为直导线印刷质量定量评价的指标。其数学模型为：

式中：△H为印刷实际厚度与设计厚度差值，反映了不同承印物直导线设计厚度与印刷膜层实际厚度的差异；△W印刷实际宽度与设计宽度差值，反映了不同承印物直导线设计宽度与印刷膜层实际宽度的差异；△R为阻抗偏差，反映了不同承印物直导线设计阻抗与印刷膜层实际阻抗的差异，δ代表墨膜的印刷品质参数。

其中，△H=H2-H1，H2是直导线实际印刷膜层厚度，H1是直导线丝网印刷理论膜层厚度，单位为μm。

△W=W2-W1，W2是直导线膜层实际测量宽度，W1是直导线丝网印刷设计膜层宽度，单位为mm。

△R=R2-R1，R2是直导线膜层实际测量阻抗，R1是直导线丝网印刷理论膜层阻抗，单位为mm。

式中，ρ是导电碳油印刷直导线膜层的理论方阻值，单位为Ω/m2。本实验用的是导电碳油，理论方阻值为40Ω。L为承印物印刷直导线膜层的实际长度，近似为导线的设计长度，单位为mm，实验中印刷直导线理论阻抗值都是通过这个公式计算出来的。本实验每一直导线宽度对应设计了5组直导线线条，分别为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，用于研究分析宽度一定时，长度与阻抗的线性关系。

由实验可知，不同承印物直导线均方差大小排序为：PET薄膜＜铜版纸＜胶版纸，均方差反映了承印物印刷直导线的印刷品质，计算均方差越小，印品质量越好。铜版纸的均方差虽然大于PET薄膜，但是铜版纸可回收性强，论文重点对铜版纸作为承印材料的其他影响因素进行研究。

印制干燥时间对铜版纸直导线阻抗的影响

通过印刷大量不同宽度、长度的RFID直导线，研究分析直导线与其阻抗之间的内在联系。实验表明直导线阻抗值与膜层烘干时间呈线性相关，当膜层宽度处于0．5-2mm、烘干时间小于15分钟时，直导线阻抗随干燥时间增加而急剧减少，导电性能急剧增大，在5-15min均十分陡峭。当烘干时间大于15min后，直导线阻抗继续降低，但是只发生细微的变化。当烘干时间达到35分钟时，印刷直导线几乎不因烘干时间的变化而变化。当膜层厚度处于2-10mm时、烘干时间小于15分钟时，直导线阻抗随干燥时间增加而缓慢降低，导电性能缓慢增大，虽然增大也只是发生细微的变化。当烘干时间达到15分钟时，印刷直导线几乎不因烘干时间的变化而变化，在此区间趋于水平。也就是说当印制直导线的宽度较小时（0．5-2mm），直导线阻抗下降趋势较快；当天线宽度大于2mm时，阻抗随烘干时间变化的幅度较小。

丝网网版分辨率对铜版纸天线印刷品质的影响

图2中①为天线的底层导线，用导电碳浆印刷在承印物上，②套印在银色导线上，为中间过桥部分，用绝缘油墨印刷；③是天线的顶层导线，用导电油墨印刷，套印在绿色绝缘层上，使银色导线的首尾两端点接近，这就构成了一个RFID标签的天线。使用时，将储存了大量数据信息的微型芯片的两触点连接于导线上，就构成了一个RFID标签的应答器。

图2 RFID天线线圈

1．宽度

分析得到，印刷膜层宽度扩大率与网版分辨率成反比，具有高分辨率的网版得到的墨膜宽度与设计偏差小，而具有低分辨率的网版天线线圈宽度变化就大一些。实验数据表明，铜版纸100目的网版印制天线线宽大致在1．3mm左右上下波动，200目的网版印制天线线宽大致在1．1mm左右上下波动，300目的网版印制天线线宽大致差异变化0．02mm左右。

2．膜层厚度

在其他印刷条件相同的情况下，仅改变网版的分辨率，测量铜版纸的墨层厚度，分析墨层厚度与网版分辨率之间的关系。由不同分辨率膜层厚度变化得知网版目数与墨层厚度之间存在着一定线性关系，实验发现当网版目数为低目数，即实验中的在100、200目/英寸时，墨层厚度的值在10-16μm左右上下波动，当网版目数为300目/英寸时，墨层厚度的值在6μm左右上下波动，也就是说随着网版分辨率的增加，膜层厚度出现明显的下降。印品100-300目铜版纸均匀减小，而采用200、300目/英寸的网版印刷得到的天线的墨层厚度均匀，其天线结构能满足RFID标签的工作要求。

3．阻抗

印刷天线线圈样品，天线的长度、宽度均相同，墨层厚度通过改变网版分辨率来实现变化。采用不同分辨率的网版印刷能得到不同墨层厚度的天线线圈，测量同一个墨层厚度的每一段天线的电阻然后取平均值，研究分析不同天线墨层厚度与阻抗的关系。在图2所示的天线线圈拐点处选取多个点，测得不同距离的端点与末端点之间的电阻值。

由铜版纸的测试实验数据可知，随着测量天线线圈长度的增加，其电阻阻抗值会持续增加，与导电金属的电阻值变化规律相一致。随着网版分辨率增大，铜版纸承印物上天线线圈阻抗值先出现明显的减少，最后出现明显的回升现象，阻抗值在某一范围内波动。在200目-300目时，天线线圈印刷膜层厚度减少，并存在一部分导电粒子进入到承印物内部结构，导致导电粒子的导电链状结构发生改变，减少了导电粒子的导电通路，这个时候膜层厚度为影响阻抗的主要因素以至于阻抗值又发生回升现象。

结论

本文通过设计印刷直导线和天线线圈，测量天线印后宽度、膜层厚度、阻抗几个关键性能指标，分析印刷导线的承印物质量。并对铜版纸，分析不同干燥条件、网版分辨率对印刷质量的影响。

经过研究分析，承印物铜版纸、PET均可用于天线印刷质量。提出RFID标签天线线圈印品膜层最佳干燥时间35min、最佳干燥温度120℃、网版分辨率300目/inch时印刷质量好。