CN110481180A - 喷墨印刷制备天线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷墨印刷制备天线的方法，用于制备RFID天线，包括以下步骤：根据设计要求进行参数仿真，使用计算机软件获得RFID天线的具体形状，利用制图软件完成RFID天线图形的绘制，并传输给喷墨打印机；喷墨打印机使用导电银墨水在衬底上按预设形状进行打印，在衬底上形成预设形状的银线；将打印完成的银线及衬底放置在恒温箱中进行银线的生长；对生长完成的银线进行导电和电磁性能测试；将测试合格的银线作为RFID天线与集成芯片进行粘合。本发明相较于蚀刻法等传统制备天线的方法成本更低，同时在印刷过程和生长过程多个方面进行改进，解决了喷墨印刷天线质量不稳定问题，确保了RFID天线的使用性能。

Description

喷墨印刷制备天线的方法

技术领域

本发明涉及RFID天线的制备技术领域，特别是喷墨印刷制备天线的方法。

背景技术

RFID又称为无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，具备传输速度快、非接触识别和运动识别等优势，在物联网管理、生产线自动化、防伪安全控制等多个领域具有广阔的应用前景。RFID系统包括读写器、应答器和后台计算机，其中应答器包括集成芯片和RFID天线。RFID天线是RFID无线射频技术中的重要组成部分，用于实现读写器和应答器之间的信号传输，RFID天线的性能决定了应答器的使用寿命和传输效果。目前，RFID天线的主要制备方法主要有三种，分别是蚀刻法、绕线法和丝网印刷法。

蚀刻法需要先对衬底材料进行覆膜，然后印刷蚀刻油墨，最后利用蚀刻液完成RFID天线蚀刻。蚀刻法工序复杂，成本高昂，并且蚀刻液会污染环境。绕线法通常是使用自动绕线机进行，直接在衬底载体薄膜上缠绕涂覆了绝缘漆的铜线，并使用低熔点烤漆的铜线作为RFID天线的基材，最后用黏合剂对导线与基材进行机械固定，成本高昂，效率低下。丝网印刷法是利用预制印版将导电油墨印刷到衬底上，但丝网印刷法为保证RFID天线的印刷质量，使用的导电油墨为70％左右的高银含量的导电银浆，得到15～20μm之间的RFID天线，属于厚膜印刷方式，成本较高，并且RFID天线印刷厚度大，影响了RFID标签的柔性，适用面小。

经过专利检索，中国专利CN109299624A，申请日为2018年8月28日，发明名称为一种RFID天线的制备方法，该申请涉及RFID领域，公开了一种RFID天线的制备方法，在柔性衬底上喷墨打印导电银墨水形成导电电路层，固化所述导电电路层后，利用电镀或化学镀的方法在导电电路层表面形成金属镀层。但喷墨打印中使用的银浆(导电银墨水)中含有大量有机溶剂，在烧结固化过程中，有机溶剂挥发会造成打印完成的银线收缩变形，影响精度，甚至因银线断裂而无法实现功能。另外，RFID天线体积较小，在其表面进行电镀或化学镀工序复杂，难度和成本都比较高，因此，如何确保RFID天线的质量并降低RFID天线的制作成本是喷墨打印法亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种喷墨印刷制备天线的方法，降低RFID天线的制备成本，保证印刷成品的工作性能，确保RFID天线的印刷质量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：喷墨印刷制备天线的方法，是一种利用喷墨打印机制备RFID天线的方法，具体包括以下步骤：

a、根据设计要求进行参数仿真，使用计算机软件获得RFID天线的具体形状，利用制图软件完成RFID天线图形的绘制，并传输给喷墨打印机；

b、喷墨打印机使用导电银墨水在衬底上按预设形状进行打印，在衬底上形成预设形状的银线；

c、将打印完成的银线及衬底放置在恒温箱中进行银线的生长；

d、对生长完成的银线进行导电和电磁性能测试；

e、将测试合格的银线作为RFID天线与集成芯片进行粘合。

RFID天线的形状设计需要考虑多方面的因素和设计要求，目前主要的仿真软件有ADS、HFSS和CST三种，对RFID天线进行参数仿真，利用计算机软件可以得到RFID天线的设计图形，用于指导后续的生产过程。

导电银墨水主要包括颗粒型银浆和无颗粒型银浆两种，其中颗粒型银浆利用纳米级银颗粒实现导电，但会发生纳米团聚结块，而无颗粒型银浆中银以离子形态存在，也可能会析出银颗粒导致结块，为了防止导电银墨水结块，导电银墨水中需要添加有机溶剂，在特定温度下颗粒型银浆中的溶剂挥发，同时纳米银颗粒生长成纳米银线实现导电，无颗粒型银浆同样是利用银离子在特定温度下生长纳米银线。在有机溶剂挥发的过程中，银线会向中间收缩，最终固定在衬底上，这一过程就是银线的生长过程。

在步骤b中，可以实时观察打印效果并在必要的时候修改打印参数及设计结构，这一过程可以纠正设计图形，使产品满足设计要求。在步骤d中，经过一系列的导电及电磁性能测试，可以发现设计图形或生产过程中存在的问题，进行必要的修改。在步骤e中还需对粘合完成的应答器进行性能检测，确定产品的使用性能。

在前述喷墨印刷制备天线的方法中，为了进一步提高银线的性能和结构稳定性，导电银墨水选用无颗粒型银浆，并且在进行打印时将衬底加热至25～35℃。无颗粒型银浆中的银以离子形式存在，能够实现高精度的喷墨打印，避免出现结块堵塞喷孔的情况，并且打印完成后的成品表面光滑整洁。在打印时对衬底进行加热，并将温度保持在25～35℃范围内，能够使导电银墨水接触衬底后就立刻进行初步固化，降低墨水的流动性，防止在打印过程中因衬底的移动导致银线变形，影响RFID天线成品的性能。

本发明所述的喷墨印刷制备天线的方法中，为保证银线的连续性还采用了密铺打印的方法。喷墨打印机通过喷孔横向水平移动和衬底向前匀速移动完成打印过程，在本方法的步骤b中，RFID天线的打印范围内，喷墨打印机的喷孔在衬底表面形成的每个墨水滴直径为25μm，喷墨打印机的喷孔横向平移距离小于25μm，衬底向前匀速移动的位移距离小于25μm，这样在衬底上形成的墨水滴会覆盖前一个墨水滴，墨水滴在衬底上重叠布置，最终能够保证形成的银线连续，确保银线的导电性。

进一步的，为使打印完成的银线规则整齐，同时在保证银线连续的前提下尽量节省导电银墨水的用量，将喷墨打印机喷孔的横向平移距离设定为墨水滴的半径，即12.5μm，衬底向前匀速运动的位移距离也设定为12.5μm。

如前所述，银线的生长是确保银线质量的重要过程，本发明所述的喷墨印刷制备天线的方法在步骤c中提出了在恒温箱中进行银线的生长。恒温箱的温度范围为80～150℃，银线生长的时间为1～2小时，恒温箱的温度过低会导致导电银墨水中的有机溶剂挥发速度较慢，银线的生长效率低下，恒温箱的温度过高则会导致有机溶剂挥发过快，银线收缩不均匀，发生龟裂现象，影响银线的稳定性，甚至因断裂而完全无法使用。

根据前述的银线生长要求，本发明在经过实验后得出了效果最为理想的银线生长环境，当恒温箱的温度设定为80℃时，银线生长时间为2小时；当恒温箱的温度设定为150℃时，银线的生长时间为1小时。

在RFID天线制备完成后还需要将其和集成芯片进行粘合，组成完整的应答器，所用的粘合剂需要根据集成芯片的特性和不同的工作需求进行选择，当电磁兼容性要求较高时选用导电性能更好的含银导电胶，当电磁兼容性要求较低时选用成本更低的环氧树脂-铜双组分胶水。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：提供了一种喷墨印刷制备天线的方法，相较于蚀刻法等传统制备天线的方法成本更低，同时在印刷过程和生长过程多个方面进行改进，确保了银线的印刷质量，使RFID天线的稳定性得到保证。

附图说明

图1是本发明所述喷墨印刷制备天线的方法的流程图；

图2是本发明中单个墨水滴的示意图；

图3是本发明中墨水滴重叠布置的示意图；

图4是采用本发明所述方法制备的一种天线结构示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例1：如图1所示，按照本发明所述的方法制备RFID天线，采用喷墨打印机印刷RFID天线，并对印刷过程和生长过程进行控制，确保RFID天线的印刷质量。

如图4所示，制备RFID天线的第一步是要根据设计要求进行参数仿真，应用ADS仿真软件获得仿真结果后导出数据，将仿真数据导入origin软件生成图形，并传输给喷墨打印机。

喷墨打印机的喷孔横向水平移动，衬底在打印机取纸辊的引导下向前匀速移动，两个垂直方向上的移动即可实现喷孔在预设图形位置喷墨，完成打印。为提高打印精度，本实施例选用DMP-2850高精度喷墨打印机进行RFID天线的打印，导电银墨水选用海斯电子生产的KSHISENSEJET-600C型无颗粒型银浆，衬底材料选用耐热性能好的PET塑料薄膜。

在打印前需要将PET塑料加热至30℃，使无颗粒型银浆在PET塑料薄膜上初步固化稳定。如图2所示，调节DMP-2850高精度喷墨打印机的喷孔距离PET塑料薄膜的距离为1mm，喷孔在PET塑料薄膜上形成的墨水滴为25μm，并调节喷墨打印机的喷孔横向平移距离为12.5μm，衬底向前匀速运动的位移距离为12.5μm，墨水滴在PET塑料薄膜上重叠布置，如图3所示。

完成打印后，将打印好的银线和PET塑料放置在恒温箱中进行生长，由于PET塑料的耐热性能较好，为加快生长速度，将恒温箱的温度设定为120℃，生长时间设定为1.5小时。

银线生长完成后，对银线进行导电和电磁性能测试，检测仿真设计过程和生产过程是否存在错误，如果检测不合格则需要进行修正调整，如果检测合格即可和集成芯片进行贴合，制作应答器。RFID天线和集成芯片的粘合剂，选用导电性能较好的含银导电胶。最后对成品进行检测，确定应答器的使用性能。

本发明的实施例2：应用CST软件进行RFID天线的仿真设计，由于CST软件可以直接导出设计图形，不必单独进行制图，将设计图形传输给喷墨打印机，使用导电银墨水进行打印。

本实施例选用DMP-2831喷墨打印机进行RFID天线的打印，导电银墨水选用银颗粒粒径为3-10nm的KSHISENSEJET-100型导电银墨水，衬底材料选用普通A4打印纸。

在打印前需要将A4打印纸加热至25℃，使导电银墨水形成的墨水滴在A4打印纸上初步固化稳定。调节喷墨打印机的喷孔距离A4打印纸的距离，确保喷孔在A4打印纸上形成的墨水滴为25μm，并调节喷墨打印机的喷孔横向平移距离为20μm，衬底向前匀速运动的位移距离为20μm，墨水滴在PET塑料薄膜上重叠布置，如图3所示，墨水滴的间距比较大，可以降低RFID天线的制作成本。

完成打印后，将打印好的银线和A4打印纸放置在恒温箱中进行生长，由于A4打印纸的耐热性能较差，为防止衬底在银线生长过程中发生变形，导致银线断裂，将恒温箱的温度设定为80℃，生长时间设定为2小时。

银线生长完成后，对银线进行导电和电磁性能测试，检测仿真设计过程和生产过程是否存在错误，如果检测不合格则需要进行修正调整，如果检测合格即可和集成芯片进行贴合，制作应答器。RFID天线和集成芯片的粘合剂，选用成本更低的环氧树脂-铜双组分胶水。最后对成品进行检测，测试应答器的使用性能。

本发明的实施例3：应用ADS仿真软件获得仿真结果后导出数据，将仿真数据导入AutoCAD软件生成图形，并传输给喷墨打印机。

喷墨打印机的喷孔横向水平移动，衬底在3D打印机加热床的引导下向前匀速移动，两个垂直方向上的移动即可实现喷孔在预设图形位置喷墨，完成打印。为提高打印精度，本实施例选用DMP-2850高精度喷墨打印机进行RFID天线的打印，导电银墨水选用海斯电子生产的KSHISENSEJET-600C型无颗粒型银浆，衬底材料选用耐热性能好的PI塑料薄膜。

在打印前需要将PI塑料加热至35℃，使无颗粒型银浆在PI塑料薄膜上初步固化稳定。如图2所示，调节DMP-2850高精度喷墨打印机的喷孔距离PI塑料薄膜的距离为1mm，喷孔在PI塑料薄膜上形成的墨水滴为25μm，并调节喷墨打印机的喷孔横向平移距离为10μm，衬底向前匀速运动的位移距离为10μm，墨水滴在PI塑料薄膜上重叠布置，如图3所示。

完成打印后，将打印好的银线和PI塑料放置在恒温箱中进行生长，由于PI塑料为耐高温材料，为加快生长速度，将恒温箱的温度设定为150℃，生长时间设定为1小时。

银线生长完成后，对银线进行导电和电磁性能测试，检测仿真设计过程和生产过程是否存在错误，如果检测不合格则需要进行修正调整，如果检测合格即可和集成芯片进行贴合，制作应答器。RFID天线和集成芯片的粘合剂，选用导电性能较好的含银导电胶。最后对成品进行检测，确定应答器的使用性能。

本发明的工作原理：利用喷墨打印机印刷RFID天线的方法需要使用导电银墨水，导电银墨水主要包括颗粒型银浆和无颗粒型银浆两种，其中颗粒型银浆利用纳米级银颗粒实现导电，但会发生纳米团聚结块，而无颗粒型银浆中银以离子形态存在，也可能会析出银颗粒导致结块，为防止导电银墨水结块，影响打印效果，甚至堵塞喷墨打印机喷孔，导电银墨水中还需要添加有机溶剂，使导电银墨水保持流动性。在特定温度下颗粒型银浆中的溶剂挥发，同时纳米银颗粒生长成纳米银线实现导电，无颗粒型银浆同样是利用银离子在特定温度下生长纳米银线。通常采用加热的方法实现有机溶剂的挥发，在加热过程中，银线向中间收缩，这一过程最容易导致银线断裂，使RFID天线电路不通，无法使用。本发明通过控制喷墨打印机喷孔和衬底材料的移动，使衬底上的墨水滴重叠布置，这样在银线生长过程中，银线收缩也不会导致断裂，确保了RFID天线的打印质量。

另外，银线生长过程中，有机溶剂的挥发速度和环境温度有密切关系，当温度过低时，挥发速度较慢，会延长银线的生长时间，效率低下，当温度过高时，有机溶剂快速挥发，会导致银线不规则龟裂，影响RFID天线的质量，同时生长温度的控制还需要考虑衬底材料的耐热性能，防止因衬底材料变形导致银线断裂。本发明提供了银线的生长环境温度和生长时间，在这一范围内可以达到较好的效果，确保RFID天线的印刷质量。

Claims (8)

1.喷墨印刷制备天线的方法，用于制备RFID天线，其特征在于，包括以下步骤：

a、根据设计要求进行参数仿真，使用计算机软件获得RFID天线的具体形状，利用制图软件完成RFID天线图形的绘制，并传输给喷墨打印机；

b、喷墨打印机使用导电银墨水在衬底上按预设形状进行打印，在衬底上形成预设形状的银线，实时检查打印效果，对设计图形进行修改；

c、将打印完成的银线及衬底放置在恒温箱中进行银线的生长；

d、对生长完成的银线进行导电和电磁性能测试，根据性能测试结果，对设计图形进行调整；

e、将测试合格的银线作为RFID天线与集成芯片进行粘合，对最终成品进行性能测试。

2.根据权利要求1所述的喷墨印刷制备天线的方法，其特征在于：所述步骤b中，导电银墨水为无颗粒型银浆，在进行打印时将衬底加热至25～35℃。

3.根据权利要求1所述的喷墨印刷制备天线的方法，其特征在于：所述步骤b中，在RFID天线的打印范围内，喷墨打印机的喷孔在衬底表面形成的墨水滴直径为25μm，喷墨打印机的喷孔横向平移距离小于25μm，衬底向前匀速运动的位移距离小于25μm，墨水滴在衬底上重叠布置。

4.根据权利要求3所述的喷墨印刷制备天线的方法，其特征在于：所述喷墨打印机的喷孔横向平移距离为12.5μm，衬底向前匀速运动的位移距离为12.5μm。

5.根据权利要求2所述的喷墨印刷制备天线的方法，其特征在于：所述步骤c中，恒温箱的温度范围为80～150℃，银线生长的时间为1～2小时。

6.根据权利要求5所述的喷墨印刷制备天线的方法，其特征在于：当恒温箱的温度设定为80℃时，银线生长时间为2小时。

7.根据权利要求5所述的喷墨印刷制备天线的方法，其特征在于：当恒温箱的温度设定为150℃时，银线的生长时间为1小时。

8.根据权利要求1所述的喷墨打印制备天线的方法，其特征在于：所述步骤e中，选用的粘合剂为含银导电胶或环氧树脂-铜双组分胶水。