CN103116803B - 基于分形弹簧结构的rfid电子标签、射频天线及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面分形弹簧结构的RFID电子标签射频天线，其为由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成的闭合线圈。本发明还提供了基于所述射频天线的RFID电子标签，射频天线附着于基板上，线圈段的弹簧伸缩方向与其处的基板区域受到的拉伸方向一致。本发明还提供了制备所述RFID电子标签的方法。本发明RFID电子标签在基板横向和纵向分别布置有与基板拉伸方向一致的多级弹簧分形结构的射频天线，存在较大的变形冗余，能够承受轴向和横向拉伸与压缩，具有很大的弯曲变形能力，从而使其可以贴在人体皮肤、服装等可能产生复杂弹性变形的物体表面，拓展了RFID电子标签的应用范围。

Description

基于分形弹簧结构的RFID电子标签、射频天线及制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子制造领域，具体涉及一种基于分形弹簧结构的RFID电子标签、射频天线及制备方法。

背景技术

射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）是利用射频信号及其空间耦合和传输特性非接触双向通信、实现对静止或移动物体的自动识别和信息采集。RFID电子标签由天线、芯片和基板三部分组成。物联网技术、智能制造技术的快速发展给RFID电子标签带来了更为广阔的应用，将逐渐渗透到人类生活、工作的各个领域，对人类的生活产生深远的影响，给人类带来更加便捷舒适的生活。

专利文献US7019695B2中介绍一种分形天线结构射频天线，其主要是运用在手机通信中。采用分形结构的天线具有很好的抗噪音和抗干扰能力。但是这种天线所设计的天线结构相对复杂，加工制作复杂，同时其设计的天线图案在拉伸过程中容易产生应力集中，不适用于变形较大的场合，随着人们对电子产品需求的多样化，其应用范围也有一定的局限性。

专利文献CN102054194A中公开了一种弹簧式天线结构的电子标签，这种电子标签可以移植于汽车轮胎上，能承受汽车行驶过程中轮胎的变形。由于其天线结构采用单级弹簧结构，拉伸能力有限，在极大变形情形下，这种弹簧式天线很难满足要求。

实际中，越来越多的领域对RFID电子标签具有大变形能力提出了需求，例如电子产品的个性化和多样化程度的提高，RFID电子标签应用在一些复杂工况和复杂曲面上对RFID电子标签的变形能力都提出了要求和挑战。现有的RFID电子标签是可弯折的，但不可拉伸或者拉伸变形较小，这就限制了其应用范围。因此，迫切需要设计并制作出一种具有大变形能力的RFID天线及电子标签。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种RFID电子标签射频天线，具有较好的拉伸性能。

本发明的第二目的在于提供一种RFID电子标签，通过采用具有较好拉伸性能的RFID电子标签射频天线，从而具有双向变形能力。

本发明的第三目的在于提供一种RFID电子标签的制备方法，制备得到的RFID电子标签具有较好的双向变形能力，且制备工艺简单，成本低，适合批量生产。

一种RFID电子标签射频天线，该射频天线为由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成的闭合线圈。

进一步地，所述线圈段内部以及相邻线圈段之间的弯折处为圆弧过渡。

进一步地，所述线圈段的厚度和宽度比值为1：10～100。

一种RFID电子标签，包括柔性橡胶基板、射频天线和芯片，射频天线附着于基板上，芯片固连与射频天线上，其特征在于，所述射频天线为由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成的闭合线圈，线圈段的弹簧伸缩方向与其所处基板区域受到的拉伸方向一致。

进一步地，所述芯片位于射频天线的中间位置，芯片与基板之间存在一层有机粘性聚合物。

进一步地，还在RFID天线表面涂覆有天线覆盖层，其材料与基板材料相同。

一种RFID电子标签的制备方法，包括以下步骤

（1）按照电子标签射频天线的结构图案，制作RFID电子标签射频天线的印刷网版；电子标签射频天线的结构为：其由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成一闭合线圈；

（2）确定芯片在橡胶基板中的位置区域，在这一区域涂上一层有机粘性聚合物；

（3）在印刷网版上涂覆导电浆料，使用基板作为承印物，通过丝网印刷工艺将网版上的导电浆料转印到基板上；

（4）对基板进行烧结处理；

（5）采用导电胶将RFID芯片与天线胶连在一起，然后键合紧固。

本发明的技术效果体现在：

本发明RFID电子标签射频天线，其采用平面多级弹簧分形结构，存在较大的变形冗余，能够承受较大的轴向和横向拉伸与压缩，具有很大的弯曲变形能力，满足复杂变形需求。

本发明RFID电子标签，其横向和纵向分别布置有与基板拉伸方向一致的平面多级弹簧分形结构的射频天线，以及选柔性基板作为衬底，具有很大的双向弯曲变形能力，从而使其可以贴在人体皮肤、服装等可能产生复杂弹性变形的物体表面，拓展了RFID电子标签的应用范围。

本发明RFID电子标签的制备方法，其采用丝网印刷工艺制作RFID电子标签天线，制备工艺简单，能够实现大批量印刷电子制造。同时可将平面分形弹簧结构的天线贴到较大拉伸或压缩变形的物品表面上工作，应用范围宽广。

附图说明

图1为高频的RFID电子标签结构图。

图2为针对“几”字形的几种不同分形图，其中，图2a为对“几”字在水平和竖直方向同时分形得到的图案，图2b为对“几”字型在竖直方向分形得到的图案，图2c采用马鞍形曲线对“几”字型在水平方向上分形得到的图案。

图3为超高频的RFID电子标签结构图。

图4为RFID电子标签制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明RFID电子标签包括基板11、RFID电子标签天线12和芯片13。

RFID电子标签天线附着于基板表面，天线是RFID电子标签具有弯曲拉伸性能的关键部件。本发明中，RFID电子标签天线的结构为：由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成一个闭合线圈。

线圈段是通过对“几”字型进行分形得到平面分形弹簧式结构，如图2所示，其中图2a为对“几”字在水平和竖直方向同时分形得到的局部图案，由于设计图案中，水平与竖直方向连接处为直角，容易产生应力集中，适用于小拉伸情形；图2b为对“几”字型在竖直方向分形得到的局部图案，由于设计图案中，同样水平与竖直方向连接处为直角，适用于小拉伸情形；为解决应力集中问题，图2c采用马鞍形曲线对“几”字型在水平方向上分形得到的图案，图案中没有尖角存在，能够避免应力集中，能适用于大拉伸情形。

线圈段的弹簧伸缩方向与其所处的基板区域受到的拉伸方向一致。参见图1，以aa表示基板的纵向拉伸方向，bb表示基板的横向拉伸方向，图中位于基板上下端的各线圈段的弹簧伸缩方向ff与此处基板受到的纵向拉伸方向aa一致，位于基板左右侧的各线圈段的弹簧伸缩方向ff与此处基板受到的横向拉伸方向bb一致。

线圈段中的分形多级弹簧结构存在屈曲，而RFID电子标签在水平与竖直方向上都包括具有屈曲结构的线圈段，存在较大的变形冗余，能够承受较大的轴向和横向拉伸与压缩。平面分形多级弹簧天线的拉伸性能主要与弹簧级数和线圈段数目相关，弹簧级数和线圈段数目越多，拉伸性能越好。弹簧级数与线圈段的具体数目根据RFID电子标签的应用场景要求和所选用的基板选择，RFID电子标签分形弹簧天线的变形能力大于基板的变形能力。

平面分形多级弹簧天线中屈曲结构的线圈段尺寸比例设计对RFID电子标签的拉伸性能有很大影响。在保证RFID电子标签拉伸强度的情形下，屈曲结构的线圈段设计中应该尽量减小射频天线的宽度，增加印刷天线厚度，增加天线厚度与其宽度的比值能够很好的增加天线的拉伸性能，推荐天线厚度与其宽度的比值为1:10～100。

基板为柔性橡胶基板，在使用过程中具有较好的弹性变形，能随物体表面的变形而变化，可采用可拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜或者一种石化基聚酯(如Ecoflex)薄膜等。

芯片固连于天线上，芯片尽量使用尺寸小于1mm的芯片，这样可以使芯片对标签的拉伸性能影响减到最小。芯片尽量装在RFID射频天线的中间位置，以此减小芯片对RFID电子标签拉伸性能的影响。为了保护天线，还可在其表面涂覆一天线覆盖层，天线覆盖层需用与基板相同的材料，以使其在伸缩过程中不与基板之间产生剪应力。

为减小芯片对柔性橡胶基板在拉伸性能中的影响，确定芯片在橡胶基板中的位置区域(大小为制芯片大小的2-3倍)，在这一区域涂上一层1um厚的有机粘性聚合物15，优选聚酰亚胺（Polyimide,PI），可以改善芯片所在区域的拉伸性能，防止柔性RFID电子标签在拉伸过程芯片粘连不牢固现象发生。

图1与图3相比，图1所示为高频的RFID电子标签，其采用电感耦合方式实现与RFID阅读器之间的数据交换与通信，适用于近距离射频识别系统，通过天线的电感值和匹配合适的电容值保证RFID电子标签的工作频率。图3所示为超高频的RFID电子标签，采用电磁反向散射耦合方式通信的，一般适合于超高频的远距离射频识别系统，其工作频率主要与天线线圈的长度来决定。两标签的不同之处为：工作原理不同，通信距离也有区别，从结构上看，图1的线圈段数量更多，线圈长度更长；两标签的相同之处为：两RFID电子标签的天线均采用平面分形多级弹簧结构。试验证明，两标签都具有较好的拉伸能力。本发明基于平面分形多级弹簧结构的RFID电子标签能够满足不同通信频段，只需根据具体的通信频段调整线圈段个数和线圈长度即可。一般根据天线的工作原理，计算并设计天线的长度区间，给定分形弹簧天线的拉伸变形区间，以此来确定RFID电子标签中的线圈段个数。

上述标签的制备方法流程参见图4，具体为：

（1）按照电子标签射频天线的结构图案，采用精密加工技术制作RFID电子标签射频天线的印刷网版。

（2）确定芯片在柔性橡胶基板中的位置，在这一区域涂上一层1um厚的有机粘性聚合物（如聚酰亚胺,Polyimide,PI），以此来改善芯片所在区域的拉伸性能。

(3)在所设计的网版上涂覆一层导电浆料，使用基板作为承印物，通过丝网印刷工艺实现将网版上的导电浆料刮到基板上，实现RFID天线的印制。导电浆料采用导电银浆、金浆和铜浆等，基板为柔性橡胶基板，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜或石化基聚酯(如Ecoflex)。

（4）将基板放入80～120℃的烘箱烘烤5～10min，对天线进行烧结处理；

（5）通过导电胶14将RFID芯片与天线胶连在一起，然后采用RFID键合机对其紧固，使得RFID芯片与天线连接牢固。

（6）在天线表面涂覆天线覆盖层，天线覆盖层将天线和芯片保护起来。

制备方法实例：

（1）设计平面多级弹簧结构的射频标签的图案，在AutoCAD中按照1:1比例设计好，得到标签天线的形状以及尺寸。依据设计好的RFID电子标签天线图案，采用精密制造技术得到丝网印刷网版。丝网采用不锈钢丝网，可以得到更好的印刷图案，制作的复合网版网孔大小为325目，制作天线厚度可以控制在10um左右。

（2）选择合适的材料作为基板，实例中基板采用PDMS柔性薄膜。确定芯片在橡胶基板中的位置区域(实例中，PI层区域大小为4*2mm)，在这一区域涂上一层1um厚的有机粘性聚合物，实例中有机粘性聚合物选取聚酰亚胺（Polyimide,PI）。确保后续的印刷RFID电子标签过程中，PI层能够包含RFID标签芯片区域。

（3）天线通过丝网印刷的方式印刷于柔性橡胶基板上，其厚度为10um。丝网印刷机器采用深圳网易巨星生产的，型号为WJ-PT2015IC型高精密平面丝网印刷机。丝网印刷的浆料采用专为制作RFID标签天线制备的用于非多孔表面的导电银浆，优选采用SC-100MP型导电银浆。

（4）丝网印刷完毕后，将其放入对流烘箱中，优选在120℃下烧结，烧结时间优选为5min。烧结之后便形成了附着于柔性基板上的固化的RFID天线。

（5）通过导电胶实现RFID芯片与上面得到的平面多级弹簧分形结构的天线胶连在一起，然后在RFID键合机上压10min，使RFID芯片与天线连接牢固，得到多级弹簧分形结构的RFID电子标签。芯片的尺寸为0.8mm.

（6）在烧结之后，首先使胶状的PDMS预聚物铺满整个RFID天线表面，之后将其烘焙固化为PDMS固体膜。这样可以形成一层保护层，使RFID天线和芯片完全处于PDMS膜的保护中。防止天线上的导电银浆裸露在空气中被氧化，实现对天线的保护。

实例的试验证明，图1中的RFID电子标签变形能力超过100%，能够很好满足实际要求。

稍微说明的是，除了平面拉伸，天线或标签的弯曲也属于本发明“拉伸”的概念范畴内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种RFID电子标签射频天线，其特征在于，该射频天线为由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成的闭合线圈,所述呈分形弹簧结构的线圈段是采用马鞍形曲线对几字型线圈在水平或竖直方向分形得到,所述线圈段内部以及相邻线圈段之间的弯折处为圆弧过渡。

2.根据权利要求1所述的RFID电子标签射频天线，其特征在于，所述线圈段的厚度和宽度比值为1：10～100。

3.一种RFID电子标签，包括柔性橡胶基板、射频天线和芯片，射频天线附着于基板上，芯片固连与射频天线上，其特征在于，所述射频天线为由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成的闭合线圈，线圈段的弹簧伸缩方向与其所处基板区域受到的拉伸方向一致；所述呈分形弹簧结构的线圈段是采用马鞍形曲线对几字型线圈在水平或竖直方向分形得到,所述线圈段内部以及相邻线圈段之间的弯折处为圆弧过渡。

4.根据权利要求3所述的RFID电子标签，其特征在于，所述芯片位于射频天线的中间位置，芯片与基板之间存在一层有机粘性聚合物。

5.根据权利要求3所述的RFID电子标签射频，其特征在于，还在RFID天线表面涂覆有天线覆盖层，其材料与基板材料相同。

6.一种RFID电子标签的制备方法，包括以下步骤

(1)按照电子标签射频天线的结构图案，制作RFID电子标签射频天线的印刷网版；电子标签射频天线的结构为：其由多个呈分形弹簧结构的线圈段依次首尾相连形成一闭合线圈，所述呈分形弹簧结构的线圈段是采用马鞍形曲线对几字型线圈在水平或竖直方向分形得到,使得所述线圈段内部以及相邻线圈段之间的弯折处为圆弧过渡；

(2)确定芯片在橡胶基板中的位置区域，在这一区域涂上一层有机粘性聚合物；

(3)在印刷网版上涂覆导电浆料，使用基板作为承印物，通过丝网印刷工艺将网版上的导电浆料转印到基板上；

(4)对基板进行烧结处理；

(5)采用导电胶将RFID芯片与天线胶连在一起，然后键合紧固。

7.根据权利要求6所述的RFID电子标签的制备方法，还包括步骤(6)在天线表面涂覆天线覆盖层。

8.按照权利要求6或7所述方法制备得到的RFID电子标签。