万物互联——柔性RFID之喷墨打印

　　???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