CN105006629A - 一种基于液滴微喷射的rfid标签天线制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，包括以下步骤：采用提拉法在PET薄膜基底表面制备疏水涂层；采用液滴微喷射法制备RFID标签天线图形；将制备有RFID标签天线图形的基底置于恒温干燥箱内进行烧结，即可制得固化后的RFID标签天线。本发明的RFID标签天线图形制备过程只需一步，成本低廉，无需特定的模板，且可以制备任意图形的RFID标签天线。

Description

一种基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法

技术领域

本发明涉及一种RFID标签天线的制备方法，特别是一种基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，属于印制电子领域。

背景技术

RFID技术是一种利用无线电波进行通信的非接触自动识别技术，随着信息技术的飞速发展，RFID技术在生产管理、医疗卫生、交通管理及物流供应链等各领域得到广泛的应用。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。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；电镀法的主要缺点是小量生产成本昂贵，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的不同可分为丝网印制、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粘度油墨，墨层厚度较大，不适用于超高频、微波段的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，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，它具有如下优势：制备过程中喷嘴与基底不接触，避免了微喷嘴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；可以使用较低粘度的墨水；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。但是这种方法同样也存在着一些局限性，喷墨印制法中使用的打印装置主要为商用喷墨打印机，打印机设备构造复杂、价格昂贵，打印机喷头难以拆卸、清洗与维修，使用的相纸基底耐温较低，只能在150℃以下进行烧结。

微流体脉冲-驱动控制技术(也称数字化微喷射技术)作为一种无内嵌微可动件、控制方法简单，对流体性质无影响的微流体驱动方法，以脉冲流动为微流动基本形态，以脉冲惯性力为主动力，适用于各种液体和粉体，液体喷射量的分辨率可达飞升级。近年来，南京理工大学微系统研究室对数字化微喷射技术在粉体输送、印制电子、微光学器件、微流控芯片等领域展开了一系列研究。

发明内容

鉴于现有RFID标签天线制备方法具有制备过程复杂，设备要求高、成本大等缺点，本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、便于制备任意天线图形的RFID标签天线制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，采用液滴微喷射技术来制备RFID标签天线图形，采用液滴微喷射法将纳米银导电墨水按所需天线的图形形状微喷射到PET薄膜基底表面疏水涂层上，形成RFID标签天线图形，然后将制备有天线图形的PET薄膜基底置于恒温干燥箱内，烧结固化后，将基底取出，即可在基底表面制得RFID标签天线。

具体包括以下步骤：

第1步、PET薄膜基底表面疏水涂层的制备

1.1对PET薄膜进行洁净处理；

1.2在洁净处理的PET薄膜基底表面进行疏水涂层的制备；

第2步、RFID标签天线图形的制备

2.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴；

2.2驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将纳米银导电墨水按所需天线图形形状微喷射到PET薄膜基底表面的疏水涂层上，从而制得RFID标签天线图形；

第3步、RFID标签天线的烧结成型

3.1将制备有天线图形的PET薄膜基底烧结固化后，将基底取出，即可在PET薄膜基底表面制得RFID标签天线。

其中，1.1步中，所述的PET薄膜分别采用浓硫酸、丙酮和去离子水进行洁净处理。

1.2步中，所述的疏水涂层采用全氟烷基丙烯酸酯溶液进行制备，全氟烷基丙烯酸酯溶液的浓度为0.05w％。

2.1步中，所述的内构双锥形玻璃微喷嘴毛细管外径为1mm，内径为600μm，微喷嘴出口内径为60～120μm。

2.2步中，纳米银导电墨水的粘度为12cps。

2.2步中，所述的微喷射通过协同控制液滴微喷射控制参数与三维工作台运动参数实现，液滴微喷射控制参数包括压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动频率设定为2Hz，驱动电压幅值变化范围为40～80V；三维工作台运动参数包括液滴的重叠率、工作台运动图形，液滴的重叠率变化范围为30％～70％。

3.1步中，所述的烧结固化采用恒温干燥箱，烧结温度为80～200℃，烧结时间为5～30min。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本发明采用提拉法在全氟烷基丙烯酸酯溶液中制备PET薄膜疏水涂层，制备的疏水涂层分布均匀，疏水性能优良。疏水涂层制备过程简单、快速，制备成本低廉。

(2))本发明采用纳米银导电墨水为微喷射材料，液体粘度值为12cps，具有较好的微喷射性能；本发明的RFID标签天线图形的制备过程只需一步，成本低廉，无需特定的模版，且可制备任意RFID标签天线图形。

(3)制得RFID标签天线图形后，将其置于恒温干燥箱内进行烧结，即可制得导电性能较高、导电性能均匀的标签天线。整个制备过程只需要三步，与其他RFID标签天线的制备技术相比，具有制备过程简单、快速、成本低廉且制备的RFID标签天线具有较好的天线性能等优势。

附图说明

图1是本发明第二步中RFID标签天线图形的液滴微喷射制备系统示意图。

图2是本发明RFID标签天线的制备过程示意图。

1微喷嘴调节架；2第一连接件；3压电致动器；4内构双锥形玻璃微喷嘴夹持器；5第二连接件；6内构双锥形玻璃微喷嘴；7纳米银导电墨水；8数码显微镜；9二维工作台；10PET薄膜基底；11疏水涂层；12RFID标签天线图形；13烧结固化后的RFID标签天线

具体实施方式

本发明中，液滴微喷射是通过以脉冲惯性力为主动力，克服内构双锥形玻璃微喷嘴(参见博士论文《数字化液滴微喷射技术及其在印制电子中的应用研究》)内液体的粘性力实现的。所述的脉冲惯性力可用多种方式产生，由于压电器件具有电压-位移动态响应好、响应频率高等特点，可作为整体驱动器置于微喷嘴外部产生脉冲惯性力，故本发明脉冲惯性力由压电致动器提供。图1所示为液滴微喷射制备系统示意图，首先将压电致动器3和所需内构双锥形玻璃微喷嘴6由第一连接件2、第二连接件5连接到微喷嘴调节架1上，通过调节架1改变内构双锥形玻璃微喷嘴6与PET薄膜基底10的距离。调节数码显微镜8的放大倍数和焦距，使得内构双锥形玻璃微喷嘴6和PET薄膜基底10可以清晰的在计算机屏幕上显示出来。图2所示为RFID标签天线的制备过程示意图，首先采用提拉法在洁净的PET薄膜基底10表面制备疏水涂层11。然后采用液滴微喷射技术在疏水涂层11上制备出RFID标签天线图形12。随后将制备有RFID标签天线图形的PET薄膜基底置于恒温干燥箱内进行烧结，固化成型后，即可制得RFID标签天线13。

所述的内构双锥形玻璃微喷嘴6采用玻璃冷热加工工艺制得，首先采用激光微针/微电极拉制仪(Sutter P-97/P-2000，美国Sutter)将毛坯外径为1.0mm、内径为0.6mm的硼硅酸盐玻璃毛细管拉断成微针，然后采用锻针仪(MF-900，日本Narishige)将微针在合适的尺寸位置截断并将出口锻制成内构双锥形，最后制备的出口内径可变范围为60～120μm；内构双锥形玻璃微喷嘴具有较好的液滴微喷射能力，较平口等微喷嘴能够微喷射出更大粘度的溶液。

实施例1

RFID标签天线13的制备，具体步骤如下：

步骤1PET薄膜基底10的洁净处理：将PET薄膜放入烧杯中，倒入适量的浓硫酸，放在加热炉上加热10分钟，然后取出冷却10分钟，再用去离子水冲洗PET薄膜表面残余的浓硫酸。用棉球擦干后放入含有丙酮的烧杯中，再将烧杯放入超声波清洗仪中震荡10分钟，取出后用去离子水冲洗干净，并用氮气将其表面水分吹干，如图2a所示。

步骤2PET薄膜基底表面疏水涂层11的制备：首先配置浓度为0.05w％的全氟烷基丙烯酸酯疏水溶液，然后将洁净处理好的PET薄膜放入疏水溶液中，采用提拉法将PET薄膜从疏水溶液中取出，放入小烧杯中。接着将小烧杯放入恒温干燥箱中，先以60℃加热5分钟，再以120℃加热10分钟。最后取出，即可得到制备有疏水涂层的PET薄膜基底，如图2b所示。

步骤3内构双锥形玻璃微喷嘴6的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为80μm的内构双锥形玻璃微喷嘴，并利用毛细现象原理将纳米银导电墨水装入内构双锥形玻璃微喷嘴6。

步骤4设置压电致动器3的驱动电压幅值为80V，驱动频率为2Hz，设置二维工作台9运动参数使得液滴重叠率为60％，工作台9的运动图形选择弯折偶极子天线图形。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴6，将纳米银导电墨水微喷射到疏水涂层11上，即可制得RFID标签天线图形12，且制得的RFID标签天线图形12的线宽为300μm，如图1、2c所示。

步骤5制得RFID标签天线图形后，将其置于恒温干燥箱内进行烧结，设定烧结温度为170℃，烧结时间为25min，即可制得固化后线宽为308μm、电阻率为4.6μΩ.cm的RFID标签天线。如图2d所示。采用矢量网络分析仪对制备的弯折偶极子天线进行性能检测，得到天线的S11参数为-27.52dB，谐振频率为2.75GHz，天线带宽为2.65～2.82GHz，与天线仿真软件结果具有较好的一致性。

实施例2

RFID标签天线图形13的制备，具体步骤如下：

步骤1、2与实施例1所述步骤1、2相同

步骤3内构双锥形玻璃微喷嘴6的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为60μm的内构双锥形玻璃微喷嘴，并利用毛细现象原理将纳米银导电墨水装入内构双锥形玻璃微喷嘴6。

步骤4、5与实施例1所述步骤4、5相同。即可制得固化后线宽为230μm、电阻率为4.2μΩ.cm的RFID标签天线。如图2d所示。

实施例3

RFID标签天线图形13的制备，具体步骤如下：

步骤1、2、3与实施例2所述步骤1、2、3相同

步骤4设置压电致动器3的驱动电压幅值为40V，驱动频率为2Hz，设置二维工作台9运动参数使得液滴重叠率为40％，工作台9的运动图形选择弯折偶极子天线图形。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴6，将纳米银导电墨水微喷射到疏水涂层11上，即可制得RFID标签天线图形12，且制得的RFID标签天线图形12的线宽为130μm，如图1、2c所示。

步骤5与实施例1所述步骤5相同。即可制得固化后线宽为134μm、电阻率为4.8μΩ.cm的RFID标签天线。如图2d所示。

实施例4

RFID标签天线13的制备，具体步骤如下：

步骤1、2、3、4与实施例1所述步骤1、2、3、4相同

步骤5制得RFID标签天线图形后，将其置于恒温干燥箱内进行烧结，设定烧结温度为140℃，烧结时间为20min，即可制得固化后线宽为305μm、电阻率为8.2μΩ.cm的RFID标签天线。如图2d所示。

具体实施过程中，RFID标签天线的宽度和天线的类型可由RFID标签天线图形决定，制得的天线的导电性能可由烧结时间和烧结温度进行控制。

Claims (7)

1.一种基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步、PET薄膜基底表面疏水涂层的制备

1.1对PET薄膜进行洁净处理；

1.2在洁净处理的PET薄膜基底表面进行疏水涂层的制备；

第2步、RFID标签天线图形的制备

2.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴；

2.2驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将纳米银导电墨水按所需天线图形形状微喷射到PET薄膜基底表面的疏水涂层上，从而制得RFID标签天线图形；

第3步、RFID标签天线的烧结成型

3.1将制备有天线图形的PET薄膜基底烧结固化后，将基底取出，即可在PET薄膜基底表面制得RFID标签天线。

2.如权利要求1所述的基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，其特征在于，1.1步中，所述的PET薄膜分别采用浓硫酸、丙酮和去离子水进行洁净处理。

3.如权利要求1所述的基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，其特征在于，1.2步中，所述的疏水涂层采用全氟烷基丙烯酸酯溶液进行制备，全氟烷基丙烯酸酯溶液的浓度为0.05w％。

4.如权利要求1所述的基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，其特征在于，2.1步中，所述的内构双锥形玻璃微喷嘴毛细管外径为1mm，内径为600μm，微喷嘴出口内径为60～120μm。

5.如权利要求1所述的基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，其特征在于，2.2步中，纳米银导电墨水的粘度为12cps。

6.如权利要求1所述的基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，其特征在于，2.2步中，所述的微喷射通过协同控制液滴微喷射控制参数与三维工作台运动参数实现，液滴微喷射控制参数包括压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动频率设定为2Hz，驱动电压幅值变化范围为40～80V；三维工作台运动参数包括液滴的重叠率、工作台运动图形，液滴的重叠率变化范围为30％～70％。

7.如权利要求1所述的基于液滴微喷射的RFID标签天线制备方法，其特征在于，3.1步中，所述的烧结固化采用恒温干燥箱，烧结温度为80～200℃，烧结时间为5～30min。