CN105976010A - 一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法 - Google Patents

一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法，属于物联网电子标签技术领域。主要包括以下步骤：(1)对纸基基板进行清洗和表面改性处理；(2)喷刷质敏剂，形成天线图形；(3)在金属化溶液中浸泡处理，取出，晾干，即在纸基基板上得到电子标签天线。本发明提供的纸基射频识别电子标签天线的制造方法无需蚀刻、无需高温制程，工艺简单、实现便捷、成本低，可用于批量化大规模生产；本发明所制得的金属层致密均匀，金属线条精度高，可适应于不同频段天线的制备；本发明技术方案所使用的金属化溶液可循环利用，纸基基板可自然降解，具有良好的环境相容性。

Description

一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法
技术领域
本发明属于物联网电子标签技术领域，具体涉及一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法。
背景技术
无线射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)技术是一种基于无线射频通信的非接触式自动识别技术，可实现快速扫描、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。由于识别工作无需人工干预，可自由工作在各种恶劣环境下，且读取速度快，读取信息安全可靠，因此RFID技术有着广泛的应用前景，已被应用于零售、物流管理、人员管理、食品药品管理、安全生产管理等领域。
RFID系统一般由电子标签、读写器、中间件软件、传输网络与管理系统等构成，其中，电子标签主要由标签芯片以及标签天线组成，利用电磁反向散射耦合或电感耦合完成与读写器之间的通信。标签天线通过接收射频能量激活标签芯片，是标签芯片与读写器进行信息传递的重要桥梁，其生产成本直接决定了电子标签的实际应用。
目前，标签天线的制造工艺主要包括刻蚀工艺、丝网印刷工艺和铜线绕制工艺。刻蚀工艺是目前制造标签天线的主要方法，该方法首先在天线的基板上层压一层金属，并在金属上涂覆一层感光胶，用一个带天线形状的正片对箔片层进行曝光，洗掉感光胶的光照部分显露出其下的金属，将这些金属蚀刻溶解掉，留在基板上的即为天线。刻蚀工艺虽然可以制造电阻小、可靠性高的标签天线，但其浪费了大量的原材料，成本高，工艺复杂，且会产生大量废水，污染大。丝网印刷工艺是直接利用导电油墨在绝缘基材上印刷导电线路，经高温固化后形成RFID标签天线。该工艺制造的天线电阻率较大、均匀性较差且成本高。铜线绕制工艺是通过将铜丝绕制成标签线圈并热压固定，从而得到标签天线，该工艺成本高、生产效率较低且天线形状受限。
通常制造天线所用基材有聚酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)和PCB等，这些基材成本较高，且自然环境下降解周期长，不利于环保。纸基基材的使用可以大幅降低电子标签的制造成本，同时对环境污染小。然而纸基基材的表面粗糙度大，且具有疏松多孔的结构，这使得在其表面难以形成高质量的标签天线用金属层。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法。本发明首先对所用纸基基材进行表面改性处理，随后喷印质敏剂形成天线图案，最后采用化学镀的方法沉积金属层，得到电子标签天线。本发明方法工艺简单、成本低，所制备的金属层致密均匀、金属线条精度高，且对环境无污染，适合批量化大规模生产。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案具体包括以下步骤：
(1)依次对纸基基板进行清洗和表面改性处理；
(2)在步骤1处理后得到的纸基基板上喷刷质敏剂，形成天线图形；
(3)将步骤2处理后得到的带天线图形的纸基基板在金属化溶液中浸泡处理，取出，晾干，即在纸基基板上得到电子标签天线。
进一步地，步骤1所述纸基基板为相纸、硫酸纸、特斯林纸等，其厚度为100μm～500μm。
进一步地，步骤1所述对纸基基板进行清洗处理的具体过程为：在温度为10～40℃、频率为30～40KHz、功率为250～500W的超声条件下，用去离子水清洗1～5分钟，晾干。
进一步地，步骤1所述对纸基基板进行表面改性处理的具体过程为：将清洗晾干后的纸基基板在20～40℃的表面改性处理剂中浸泡1～10min，取出晾干；所述表面改性处理剂溶液的溶剂为去离子水，溶质为SiO2、Na2S2O3、HCl、KMnO4、SnCl2、Cu(NO3)2、Na2SiO3、KH550(硅烷偶联剂)、NaOH中的一种或多种，所述表面改性处理剂中溶质的物质的量浓度为0.01～0.20mol/L。
进一步地，步骤2所述在纸基基板上喷刷质敏剂时采用的喷刷设备为喷墨打印机、平板印刷机等打印液体类墨水设备，喷刷时墨水饱和度设置为80％～100％。
进一步地，步骤2所述的质敏剂，其中的溶质为可溶性铁盐、可溶性镍盐、可溶性银盐、可溶性钯盐中的一种，溶剂为去离子水、正丙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、无水乙醇、甲醇、苯甲醇、聚乙二醇、聚丙二醇、脂肪醇等中的一种或多种。
进一步地，步骤2所述质敏剂中溶质的物质的量浓度为0.05mol/L～0.45mol/L，具有催化金属化溶液中金属离子沉积的作用。
进一步地，步骤2所述的质敏剂的粘度为1～5mPa·s(25℃)，表面张力为25～35mN/m(25℃)。
进一步地，步骤3所述金属化溶液包括金属盐、络合剂、还原剂、稳定剂和pH值调节剂，所述金属盐为可溶性铜盐、可溶性铁盐、可溶性锡盐等；所述还原剂主要包括甲醛、硼氢化钠、水合肼和次磷酸钠等，可将金属化溶液中的金属离子还原为金属从而沉积在喷刷有天线图形的纸基基板上；所述络合剂主要包括酒石酸盐、乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸盐、三乙醇胺、环乙二胺四乙酸或乙二胺、四羟丙基乙二胺等，可使金属离子成为络合离子状态，有利于细化晶粒，调控沉积速率并提高金属化溶液的稳定性；所述稳定剂包括联吡啶、三吡啶、硫脲等，可提高金属化溶液的稳定性；所述pH值调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾或醇胺类物质中的一种或几种，用以将金属化溶液的pH值调节至11～14。
进一步地，步骤3所述在金属化溶液中浸泡处理的具体过程为：在温度为25～45℃的金属化溶液中浸泡5～25min。
本发明的有益效果是：(1)采用本发明方法对纸基基板进行前处理后可在基板表面发生抑合反应生成阻隔层，阻隔质敏剂在疏松多孔的纸基基板表面扩散及渗透；同时前处理溶液可与质敏剂发生反应生成具有催化活性的金属粒子，提高质敏剂活性，使制得的金属层表面致密均匀；(2)本发明提供的纸基射频识别电子标签天线的制造方法无需蚀刻、无需高温过程，工艺简单、实现便捷、成本低，可用于批量化大规模生产；(3)本发明所制得的金属层致密均匀，金属线条精度高，可适应于不同频段天线的制备；(4)本发明技术方案所使用的金属化溶液可循环利用，纸基基板可自然降解，具有良好的环境相容性。
附图说明
图1为本发明纸基射频识别电子标签天线制造方法的流程图；
图2为本发明实施例1得到的标签天线的实物图；
图3为本发明实施例1和对比例得到的标签天线的SEM图；(a)为实施例1标签天线的SEM图，(b)为对比例标签天线的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：将10cm×10cm大小的特斯林纸放入500mL去离子水中，在频率为40KHz、功率为500W、室温条件下超声清洗3min，取出后采用去离子水冲洗，晾干；
步骤2：将1g SnCl2、12mL HCl(浓度为37％)溶于100mL去离子水中，搅拌混合均匀，得到表面改性处理剂；室温下，将步骤1清洗晾干后的特斯林纸在上述表面改性处理剂中浸泡10min，取出，晾干；
步骤3：将7.5g硝酸银加入30mL去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入20mL乙醇、16mL乙二醇、16mL正丙醇、62mL丙三醇，得到质敏剂，所述质敏剂的粘度为2.5mPa·s，表面张力为31mN/m(25℃)；然后将上述配制得到的质敏剂加入平板印刷机的墨盒中，通过喷刷的方式在步骤2处理后得到的特斯林纸上形成含质敏剂的天线图形；
步骤4：将8g硫酸铜、5g乙二胺四乙酸二钠、24g酒石酸钾钠、10g氢氧化钠、12mL甲醛、5mL联吡啶依次分别加入1L去离子水中，搅拌溶解，得到金属化溶液；将步骤3处理后得到的带天线图形的特斯林纸在上述配制得到的金属化溶液中、41℃条件下浸泡15min，取出后采用去离子水清洗，干燥，即可得到具有高精度线条图形的RFID电子标签天线(如图2所示)。
实施例2
一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：将15×15cm大小的特斯林纸放入500mL去离子水中，在频率为30KHz、功率为300W、温度为35℃条件下超声清洗5min，取出后采用去离子水冲洗，晾干；
步骤2：将5mL KH550(硅烷偶联剂)、6g Na2S2O3、3g NaOH溶于50mL去离子水中，搅拌混合均匀，得到表面改性处理剂；将步骤1清洗晾干后的特斯林纸在温度为40℃的上述表面改性处理剂中浸泡5min，取出，晾干；
步骤3：将8g氯化钯加入40mL去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入5mL乙醇、10mL异丙醇，14mL聚乙二醇、50mL丙三醇，得到质敏剂，所述质敏剂的粘度为3mPa·s，表面张力为30mN/m(25℃)；然后将上述配制得到的质敏剂加入平板印刷机的墨盒中，通过喷刷的方式在步骤2处理后得到的特斯林纸上形成含质敏剂的天线图形；
步骤4：将8g硫酸铜、10mL三乙醇胺、15g四羟丙基乙二胺、14g氢氧化钾、9.6mL甲醛、8mL联吡啶依次分别加入1L去离子水中，搅拌溶解，得到金属化溶液；将步骤3处理后得到的带天线图形的特斯林纸在上述配制得到的金属化溶液中、40℃条件下浸泡20min，取出后采用去离子水清洗，干燥，即可得到制造完成的RFID电子标签天线。
对比例
一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：将10cm×10cm大小的特斯林纸放入500mL去离子水中，在频率为40KHz、功率为500W、室温条件下超声清洗3min，取出后采用去离子水冲洗，晾干；
步骤2：将7.5g硝酸银加入30mL去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入20mL乙醇、16mL乙二醇、16mL正丙醇、62mL丙三醇，以用于调节溶液的表面张力和粘度，得到质敏剂，所述质敏剂的粘度为2.5mPa·s，表面张力为31mN/m(25℃)；然后将上述配制得到的质敏剂加入平板印刷机的墨盒中，通过喷刷的方式在步骤1清洗晾干后的特斯林纸上形成含质敏剂的天线图形；
步骤3：将8g硫酸铜、5g乙二胺四乙酸二钠、24g酒石酸钾钠、10g氢氧化钠、12mL甲醛、5mL联吡啶依次分别加入1L去离子水中，搅拌溶解，得到金属化溶液；将步骤2处理后得到的带天线图形的特斯林纸在上述配制得到的金属化溶液中、41℃条件下浸泡15min，取出后采用去离子水清洗，干燥，即可得到制造完成的RFID电子标签天线。
图3分别为实施例1和对比例得到的标签天线的SEM图，由图3可知，本发明实施例1的纸基基板经过表面改性处理，所得标签天线的金属层致密、均匀且连续覆盖于纸基材表面；对比例中的纸基基板未经表面改性处理，所得标签天线的金属层中存在明显孔洞，膜层覆盖不均匀。

Claims (9)

1.一种纸基射频识别电子标签天线的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：对纸基基板进行清洗和表面改性处理；
步骤2：在步骤1处理后得到的纸基基板上喷刷质敏剂，形成天线图形；
步骤3：将步骤2处理后得到的带天线图形的纸基基板在金属化溶液中浸泡处理，取出，晾干，即在纸基基板上得到电子标签天线。
2.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤1所述纸基基板为相纸、硫酸纸或特斯林纸，厚度为100μm～500μm。
3.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤1所述对纸基基板进行表面改性处理的具体过程为：将清洗晾干后的纸基基板在20～40℃的表面改性处理剂中浸泡1～10min，取出晾干；所述表面改性处理剂的溶剂为去离子水，溶质为SiO2、Na2S2O3、HCl、KMnO4、SnCl2、Cu(NO3)2、Na2SiO3、KH550、NaOH中的一种或多种，所述表面改性处理剂中溶质的物质的量浓度为0.01～0.20mol/L。
4.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤2所述质敏剂中溶质为可溶性铁盐、可溶性镍盐、可溶性银盐、可溶性钯盐中的一种，溶剂为去离子水、正丙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、无水乙醇、甲醇、苯甲醇、聚乙二醇、聚丙二醇、脂肪醇中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤2所述质敏剂中溶质的物质的量浓度为0.05mol/L～0.45mol/L。
6.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤2所述质敏剂的粘度为1～5mPa·s，表面张力为25～35mN/m。
7.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤2所述在纸基基板上喷刷质敏剂时采用的喷刷设备为喷墨打印机或平板印刷机。
8.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤3所述金属化溶液包括金属盐、络合剂、还原剂、稳定剂和pH调节剂，所述金属盐为可溶性铜盐、可溶性铁盐或可溶性锡盐；所述还原剂为甲醛、硼氢化钠、水合肼或次磷酸钠；所述络合剂为酒石酸盐、乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸盐、三乙醇胺、环乙二胺四乙酸、乙二胺、四羟丙基乙二胺中的一种或几种；所述稳定剂为联吡啶、三吡啶、硫脲中的一种或几种；所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾或醇胺类物质中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的纸基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤3所述在金属化溶液中浸泡处理的具体过程为：在温度为25～50℃的金属化溶液中浸泡5～25min。
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