RFID标签天线的丝网印刷

第48卷第6期 2009年11月 厦门大学学报(自然科学版) JournalofXiamenUniversity(NaturalScience) V01．48No．6 NOV．2009 RFID标签天线的丝网印刷 徐磊，黄辉明，孙道恒。 (厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005) 摘要：RFID标签天线的直接印刷是一种很有前景的生产方式，利用PF-050银浆进行的相关实验，可以分析印刷压力、 印刷速度、固化温度与固化时间对标签天线的电感、电容、电阻及标签谐振频率与品质因子的影响．试验结果表明，印刷 标签天线的电感主要取决于天线的结构．电阻则受印刷工艺与固化条件影响较大，而生产工艺导致的耦合电容变化并不 影响整体性能．印刷工艺与固化条件对天线电阻的影响主要表现在：较高的印刷速度与印刷压力会使银浆转移不充分． 并导致天线电阻增加；而较低的固化温度、较短的固化时间也会使银浆中的有机载体不能充分燃烧，从而增加天线电阻． 当天线电阻增加后，会引起标签谐振频率与品质因子下降． 关键词：丝网印刷；RFID标签；印刷天线；天线电阻 中图分类号：TS851+．8 文献标识码：A 文章编号：0438—0479(2009)06—0835—05 根据ISM标准，射频识别技术(RFID)可以 工作在低频(125～134kHz)、高频(13．56MHz)、超 高频(400～930MHz)和微波(2．45GHz)频段[1]．在 上述RFID可用的所有频段中，由于13．56MHz RFID系统能够透过液体等进行感应工作[2-‘]，因而此 频段被广泛应用于许多领域，如通道监控、销售终端 (POS)、公共交通支付系统等口]．而13．56MHzRFID 标签天线的生产方式主要有：绕线式、蚀刻、电镀或直 接印刷[6]，目前国内仍然以铝蚀刻为主，但其存在材料 浪费、污染严重及高成本的问．显然，标签天线的直 接印刷是一种很有前景的低污染、低成本生产方 式[7-8]．同时，通过使用导电银浆直接印刷，标签天线 不仅可以在塑料基底上沉积，还可以直接沉积在纸质 基底上I-91． 由于天线的印刷需要传统的印刷企业参与，他们 很难进行深入的电学理论分析．为了进一步推动 RFID标签的低成本化发展，有必要研究印刷工艺对 天线性能的影响规律．本文使用PF一050银浆，进行了 13．56MHzRFID标签天线的丝网印刷实验，主要讨 论了印刷速度、印刷线压力及固化条件对标签天线电 学性能、标签谐振频率与品质因子的影响． 1试验所用天线结构 收穑日期：2009—03—24 基金项目：厦门市科技局项目(350zZ20071055)资助 -通讯作者：sundh@XmU．edu．cn RFID标签芯片的输入电容一般在20～100pF 间‘10-1引，为了使标签工作在13．56MHz附近，因而标 签天线的电感通常为2～6肛H．试验选用矩形螺旋平 面线圈为印刷标签天线结构(图1)[“]，尺寸如表l所 示，其线圈间耦合电容约为3pFDo]．在另一篇文章 中，我们利用复合截面导线原理‘15]，推导出平面矩形 电感的估算公式，并获得该结构电感值约为4．0pH， 其电感估算公式为 L一趔[60Ira。+aolnb。]一丝鱼±盟． 7【 7【 Inln[-0．2236(训+￡)]+2(以一1)ln鱼学l I 厶 J (1) 其中： 户=g+硼，口o=口7--np，bo一67--np， 式中， 阳：磁感应强度，舯一47×10叫H／m, 咒：线圈圈数； 口：线圈指数，印刷天线g=1．7～1．8； ￡：线匝厚度； 锄：线匝宽度； g：线匝间距； 口’、b7：天线的外形尺寸． 2丝网印刷试验 由于在丝网印刷中，有许多参量m．183影响着印刷 质量，本文主要研究印刷速度、印刷线压力及印刷后的 固化温度、固化时间对印刷天线及标签性能的影响．其 万方数据 厦门大学学报(自然科学版) 图1试验所用的印刷天线结构 Fig．1Teststructureoftheprintingtagantenna 表1试验所用天线的结构尺寸 Tab．1Dimensionsofthetestantenna(mm) 中印刷速度以刮板的正向速度v来表征，即不考虑刮 板返程时间对印刷周期的影响(图2)；同时，印刷压力 则以线压力来表征m]，即在印刷过程中，不考虑刮板 的弹性形变，并认为刮板与网版的接触为线接触(图 2)． 试验所使用的设备与原材料为： 1)丝网印刷机为Marabu公司生产的MS-300F； 2)导电银浆使用Acheson公司的厚膜导电银浆 PF一050； 3)丝网采用聚酯材料，直拉网，350目； 4)基底材料为PET，厚度为0．1mm； 5)天线的固化设备为上海跃欣SX2箱式电炉； 6)天线的电感、电容由Agilent精密阻抗分析仪 4294A测量，该仪器可直接测量出串联或并联回路中 的等效电感、电容值； 7)天线的电阻由Agilent数字万用表34410A测 量． 影响印刷质量的其它一些主要参量(图2)确定 为： 1)丝网与基底间距离为d一7mm； 2)印刷过程中，丝网与基底的角度在印刷图形区 为0=2．5。～1．7。； 3)试验所采用的主要印刷工艺参数与固化参数 如表2所示． 试验步骤分为： 1)采用不同的印刷线压力与印刷速度(表2)印刷 标签天线，固化参数固定为140～145℃，3．0rain； 2)采用相同的印刷线压力(120N／m)与印刷速 图2丝网印刷的工作过程示意图 Fig．2Schematicillustrationofscreenprintinginoperation 表2试验所采用的印刷工艺参数与固化工艺参数 Tab．2Differentprintingprocessandcuringeonditionforthe experimentation 153 123 92 60 30 O．18 O．15 O．12 O．09 O．06 2．0 3．0 4．0 5．0 6．O 130 140 150 160 170 度(0．12m／s)印刷标签天线，但印刷后选择不同的固 化时间与固化温度(表2)． 通过上述试验，可以揭示印刷线压力、印刷速度、 固化时间与固化温度对印刷标签性能的影响． 3结果与讨论 印刷标签是通过近场电感耦合的方式从阅读器天 线获取感应能量，其实际的等效电路可采用图3所示 回路，图中L。。、C肌。R。分别为标签天线的等效电感、 等效电容与等效电阻，Ci。、R；。为标签芯片的输入电容 与电阻．由于标签天线在印刷后，没有及时绑定标签芯 片，且没有引线与阻抗分析仪相连，因而为了测试需 要，在测试回路中额外引入一电容及引线，以使标签能 工作在13．56MHz附近．通过阻抗分析仪测量可得： 引入的总电容值为39．28pF，而引入的串联等效电感 与等效电阻值分别为23nH、315mfl，两者可忽略不 计． 3．1 印刷工艺、固化条件对天线电感与电容 的影响 经过对不同印刷工艺与固化条件下获得的印刷天 线样本进行测试之后发现，所有印刷天线的等效电感 与等效电容均为L。。一3．85～3．90“H、CI。一2．o～ 3．0pF，基本符合期望电感值与预估电容值．其中，等 万方数据 第6期 徐磊等：RFID标签天线的丝网印刷 ·837· 图3标签的等效电路模型 Fig．3Theequivalentcircuitmodelofatag 效电容cI。。的值由谐振回路总电容去除附加的并联电 容后取得． 从测试结果可以获得，天线的电感L。。基本不受 固化条件与印刷工艺的影响，这主要是由于固化条件 影响的是天线的内部颗粒致密度，而印刷工艺则影响 天线的线匝宽度训、间距g与厚度t．由公式(1)可知， 与天线的外形平均尺寸a。、bo相比，叫、g、￡对天线的 电感影响很小． 对于天线耦合电容Ca。的变化，由于没有合适的 数学模型来描述，难以确定引起其变化的主要原因。但 是，虽然其相对变化率较大，考虑到天线在应用于 RFID标签中时，一般芯片电容C．。>20pF，即Ct》 C。。，因此可以认为，由固化条件、印刷工艺的改变引起 的耦合电容变化，其变化量是可以忽略的． 3．2 印刷工艺与固化条件对天线电阻的影响 由于在实际应用中，总是期望印刷天线的等效电 阻尽可能地低，或者品质因子Q值尽可能地高，以提 高印刷天线的灵敏度．因而，必须设法寻找到合适的印 刷工艺及固化条件，以降低印刷标签天线的等效电阻． 图4、5显示了印刷工艺对印刷天线等效电。阻R。 的影响(天线印刷后的固化工艺为140～145℃、3．0 rain)．在图4中，天线的印刷速度越快，其等效电阻越 高，这是因为较快的印刷速度会导致银浆由丝网向基 材的转移时间缩短，并使总的银浆转移量减少[18l，从 而引起印刷天线的导电率下降、等效电阻增加．图5则 解释了在不同的印刷速度下，印刷线压力P。对等效 电阻的作用．当印刷时的线压力Pc<150N／m时，可 以认为是理想线压力，此时，银浆转移率与等效电阻的 变化较小．而当线压力P。>150N／m时，由于过高的 印刷压力过度地挤压丝网，不仅会引起印刷天线分辨 率的下降，而且导致银浆转移不充分，最终可能使得天 线等效电阻上升[1引． a 、 疑 脚 崧 筘 图4 印刷速度对天线电阻的影响 Fig．4Theeffectofprintingvelocityonantennaresistance c：～ 雹 脚 籁 如 图5 印刷线压力对天线电阻的影响 Fig．5Theeffectoflinepressureonantennaresistance 印刷天线的固化条件对天线等效电阻的影响则能 够由图6，7获得(图中天线的印刷工艺为0．12m／s、 120N／m)．图6显示，随着固化时间的延长，印刷天线 的电阻趋向于一个稳定值，同时，固化温度越低所需固 化时间越长，这是由于较低的固化温度难以使银浆中 的有机载体完全燃烧[1卜20]，从而影响天线的致密度， 并使天线的电导率下降，若想使银浆中的有机载体充 分燃烧，必然需要较长的固化时间．而图7表明，随着 固化温度的提高，天线等效电阻下降．这同样是由于较 高的固化温度能够促进有机载体的充分燃烧，并易于 使银浆中的固体粒子形成接触良好的颗粒，继而形成 连续层，连续层的形成会使天线的电导率提高、电阻下 降． 3．3 印刷工艺、固化条件对标签谐振频率与 品质因子的影响 由前述可知，印刷工艺、固化条件对天线的电感、 标签回路的总电容影响较小，而对标签的串联等效电 阻影响较大．因此，此处仅考虑由于等效电阻变化引起 的标签谐振频率cc，。与Q的变化． 万方数据 厦门大学学报(自然科学版) c： 匠 锄 狡 搬 图6 固化时间对天线电阻的影响 Fig．6Theeffectofcuringtimeonantennaresistance C= 翻 脚 额 淞 图7固化温度对天线电阻的影响 Fig．7Theeffectofcuringtemperatureonantennaresist— ance 由图3可知，标签回路的谐振频率可表示为 咖2√Ej砭=1了丽一巧RL’／ 而标签的Q值为 Q=Ro／止o， 其中， R。一T_—Lr一，L。2L“t(1+1／眈t)， Rlc’R。。(1+Q0) ‰=哿． 图8直观地显示了天线电阻对谐振频率与品质因子的 影响．分析时假设标签天线的芯片采用PhilipsICS- 30，其参数为R。一70kQ、Ci。=23．5pF．图8表明当印 刷工艺及固化条件改变，引起标签天线的串联等效电 阻R。。增大时，会间接影响标签的叫。与Q，并使其减 小． 另外，在后续的产品测试中我们发现，当绑定了标 签芯片(PhilipsI-CodeSLIICS-30)后，Q>7(Jfo= 13．56MHz)的印刷标签天线，均能够与输出功率为 岂 = 、 瓣 聚 塔 按 图8天线电阻对品质因子与谐振频率的影响 Fig．8Theeffectsofantennaresistanceonresotlaritfre— quencyandqualityfactor 1W的RFID阅读器(厦门信达汇聪公司提供)良好地 进行通讯． 上述讨论结果表明：为了获得较高的生产效率、良 好的电学性能，需要选择一个合理的印刷工艺(较低的 印刷速度)和一个理想的固化条件(较高的固化温度)． 利用本文中所使用的银浆PF一050印刷标签天线，可 选择印刷工艺为：印刷速度v