喷墨打印技术在射频标识（RFID）上的应用
喷墨打印技术是一种非接触式的数字化无版印制工艺。实验结果表明，按需微喷射导电银墨水制备RFID标签天线的方法具有系统结构简单、成本较低、液滴微喷射精确、便于制备任意天线图形等特点；制备的天线尺寸可控、导电性高、阻值均一性好，并具有较好的天线性能。
射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种利用无线电波进行通信的非接触自动识别技术，信息技术的飞速发展使RFID在生产管理、医疗卫生、交通管理及物流供应链等领域得到了广泛应用。
RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
RFID标签天线是按照射频识别所要求的功能而设计的电子线路，其性能对RFID系统的性能有着重要影响。目前，RFID标签天线的制备方法主要有蚀刻法、电镀法及导电油墨印刷法等。其中，蚀刻法存在成本高、 生产流程复杂、生产过程慢、精度较低及环境污染等问题；电镀法的小量生产成本昂贵，但大批量生产所需的设备投资又较高。导电油墨印刷法按照印制设备原理可分为丝网印制、凹版印制、柔性版印制和喷墨印制。其中，丝网印刷工艺精度可达10μｍ，具有较高的天线制备精度，但采用的油墨一般为高黏度油墨，墨层厚度较大，不适用于超高频、微波段墨层较薄的天线印制。凹版印制工艺可以获得较好的图形分辨率，印制油墨的层厚适中，但印制过程中印制压力大，可能使天线发生扭曲变形而影响天线的性能。柔性版印制基底材料适用广泛，但印制过程中的印制压力会使印版变形，造成制备的天线边缘均一性差，降低天线成品率。喷墨印制法是一种非接触式的数字化无版印制工艺，其制备过程中喷头与基底不接触，避免了微喷头的损坏和导电油墨被污染，对基底表面不产生压力，提高了制备稳定性和精度；可以使用较低黏度的墨水；无需制版，简化了印制过程；对天线图形可以在线修改，提高了天线制备的灵活性。
图1为RFID标签天线的按需喷墨打印的制备系统，该系统主要由控制电路、运动控制及喷头装置组成。通过调节控制波形、驱动电压幅值和驱动频率等控制参数，以液滴的形式打印在基底上。整个过程可以将墨水按需打印出所需要的图形。
在射频识别技术的早期，天线技术大量利用了印刷电路板制造中使用的技术。在典型的印刷电路板的制造中，布线图案是在涂有铜的绝缘基板上用平版印刷法形成的。然后使用铜蚀刻溶液（通常为氯化铁）对其进行蚀刻。这种工艺很容易移植到射频识别天线的生产中，实际上，迄今为止制造的绝大多数射频识别标签都使用蚀刻的铜天线结构，或者类似的，使用切割的铝天线结构。铜和铝很有优势，因为它们的电阻率非常低，这确保了与天线结构相关的串联电阻最小化。这一点很重要，因为天线的串联电阻直接影响标签从阅读器获取能量的效率，这降低了标签的有效工作范围。但是，蚀刻铜是一个相对昂贵的过程。首先，蚀刻工艺之前的光刻通常需要至少四个步骤（沉积抗蚀剂、曝光、显影、蚀刻、剥离），增加了其整体工艺成本。更重要的是，蚀刻过程会产生大量废料（亚铁盐和铜盐），减少和处理这些废料的成本很高。因此，蚀刻天线的总成本对于廉价的标签来说通常太高，因此降低天线的制造成本是发展射频识别技术的关键因素。
考虑到与蚀刻铜技术相关的高成本，低成本的喷墨打印技术显然是最好的替代方案。从概念上来说，印刷是蚀刻铜技术的替代产品；代替光刻构图和蚀刻天线导体。材料的选择和印刷技术也是相辅相成的。一般来说，印刷材料的电阻率会高于蚀刻铜。因此，尽管印刷天线已经穿透了超高频天线空间，但高频天线空间的穿透通常是滞后的，因为后者施加了更严格的电阻率要求，于是纳米银打印技术应运而生，喷墨打印的纳米银天线电阻率甚至低于刻蚀铜的电阻率。
喷墨打印是一种DOD（Drop on Demand）的过程，通过喷头将墨水沉积到基底上。逐滴方法的使用对天线制造有几个后果。首先，喷墨通常比任何其它打印技术都更好。因此，有可能生产出兼容的新材料。这允许实现更高导电性的喷墨打印图案。但是，喷墨打印也有自身的缺点。首先，稳定性是最常见的一个问题，尽管这个问题正在通过生产专门为电子应用设计的先进喷头来解决。其次，由于喷墨使用逐滴的方法，它通常需要多次打印才能产生相对较厚的薄膜。大多数喷墨线条的厚度小于1μm。这反过来又会降低过程吞吐量。第三，由于喷墨往往是一种相对较慢的技术，有必要使用大阵列的喷头来生产高通量喷墨系统；对于电子产业来说，尽管页面宽度的头已经在图形艺术行业中使用，这种大阵列头的可制造性和工艺稳定性仍然是不确定的。然而，喷墨打印确实保留了一些优势。由于它能够在油墨中不含粘合剂的情况下沉积材料，所得薄膜在性质上接近纯金属。因此，近年来，喷墨也被用于沉积薄的金属种子层，随后电镀以产生更厚的薄膜。
总之，随着5G，loT（Internet of Things）的发展和应用，RFID技术已经广泛应用于生活中的方方面面。不仅是服装行业取代条形码记录信息，在物流行业、安防、门禁等都十分受欢迎，RFID技术都发挥良好。
参考文献：
[1] 杨利军, 李茜, 朱晓阳,等. 射频识别标签天线的按需微喷射制备[J]. 光学精密工程, 2016, 24(001):73-82.
