CN111575683A - 一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性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）配置前驱诱发剂；（2）在柔性基板上制备出天线图形；（3）进行结构性固定处理，然后避光保存；（4）在金属化溶液中浸泡处理，取出，晾干，即在柔性基板上得到电子标签天线。本发明提供的柔性基射频识别电子标签天线的制造方法工艺简单，相比于基于喷墨印刷的制备工艺，本发明基于卷对卷式柔版印刷，可以用于流水化大规模生产，提高了生产效率，降低了生产成本，并且具有更好的印刷精度，可用于更加微型复杂的天线以及其它导电电路的制备。本发明所制得的天线金属层致密均匀，在基板上的附着力好。

Description

一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法
技术领域
本发明涉及印制电子领域和物联网电子标签技术领域，具体涉及一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法。
背景技术
无线射频识别技术(RFID, Radio Frequency Identification)是一种基于无线射频通信的非接触式自动识别技术，可实现非可视识别、移动识别、多目识别、物与物通信。RFID技术使物品的识别更加自动、高效和便捷，相比于条形码具有读取时不需要接触、多个标签可以同时被读取、安全性好、寿命长、可重复使用等优势。因此RFID技术在工业4.0、智能制造、空间定位以及物与物的识别等领域有着可观的应用前景。
RFID系统一般由电子标签、读写器以及其它数据处理系统等构成，其中电子标签主要由标签芯片和天线组成。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，RFID标签会接收到阅读器发出的射频信号并产生感应电流，凭借着感应电流在天线上产生的射频信号，将RFID标签芯片中保存的信息发送给阅读器，阅读器读取并解码接收到的信息后传给信息系统进行相应的处理，因此标签天线是标签芯片与读写器进行通信的关键，其生产成本决定了电子标签的应用积极性。
目前，标签天线的制造工艺主要包括刻蚀工艺、喷墨印刷工艺和线圈绕制工艺。刻蚀工艺是目前制造标签天线的主要方法，蚀刻法的制作流程是，首先在基材的金属面印刷一层感光油墨或光感应胶，其次使用掩模图形将天线图形转印到基板上，通过光照射使得照射过的光感应胶或墨膜发生交联聚合反应，然后将其浸泡在显影液中使基板上的天线图形显示出来，最后用刻蚀液将基板上没有被干膜保护的金属膜刻蚀掉并除去干膜，即可得到预设的天线。采用刻蚀法制得的RFID天线具有高精度、性能稳定可靠等优势，但是刻蚀法具有较高的生产成本、会腐蚀柔性基底材料、刻蚀掉的金属铝会被排放掉对环境造成污染且很难再次回收利用等问题。喷墨印刷工艺是在基底材料上喷印天线图案，然后采用化学镀的方法沉积金属层，从而得到电子标签天线，但是该技术具有成本高、质量差以及难以批量制备等问题。线圈绕制工艺是将铜导线绕制成天线线圈，然后将其固定在基底上，从而得到标签天线，该工艺具有成本高、工艺复杂、难以制备较小尺寸的天线等问题。
发明内容
为了克服现有的以喷墨印刷为主的印制制备技术的不足，本发明提出一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法。本发明先使用前驱诱发剂在柔性基底上制备出预先设计好RFID标签天线的图形，然后采用约束性化学沉积在基底表面沉积金属导电层，得到电子标签天线。相比于目前基于喷墨印刷的制备工艺，本发明基于卷对卷式柔版印刷，可以用于流水化大规模生产，提高了生产效率，降低了生产成本，并且具有更好的印刷精度，可用于更加微型复杂的天线以及其它导电电路的制备。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案：
一种柔性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：配置适用于卷对卷柔版印刷的前驱诱发剂；
步骤2：使用步骤1中的前驱诱发剂在柔性基板上制备出预先设计好的RFID标签天线的前驱图形；
步骤3：将步骤2处理后得到的带有天线图形的柔性基板进行结构性固定，然后避光保存；
步骤4：将步骤3处理后得到的带有RFID标签天线图形的柔性基板在金属化溶液中浸泡、加热、通气和干燥处理，即可在基板上得到RFID标签天线。
上述技术方案中，步骤1所述的前驱诱发剂中溶质为可溶性银盐、可溶性钯盐和可溶性镍盐中的一种，溶剂为水，助剂为环氧树脂、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、磷酸三丁酯和有机硅油中的一种或几种。
上述技术方案中，步骤1所述前驱诱发剂溶质的浓度为0.18~0.45mol/L，所述前驱诱发剂中助剂的含量为34~42wt%。
上述技术方案中，步骤1所述的前驱诱发剂的黏度为1500~3500mPa·s
(25℃)，表面张力为25~38mN/m(25℃)。
上述技术方案中，步骤2所述柔性基板为特斯林纸、相纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺。
上述技术方案中，步骤2所述柔性基板上制备天线图形时采用的设备为卫星式柔版印刷机。
上述技术方案中，步骤3所述处理的具体过程为：将经过处理的柔性基板放置在恒温箱中15~30min，取出并进行紫外光辐照；所述恒温箱的温度为50~80℃，所叙述紫外光波长为200~400nm。
上述技术方案中，步骤4所述在金属化溶液中浸泡处理的具体过程为：将经过处理的柔性基板在温度为25~50℃的金属化溶液中浸泡15~35min，取出，冲洗，晾干。
上述技术方案中，步骤4所述金属化溶液包括金属盐、助溶剂、还原剂、抑制剂和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；所述助溶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、四羟丙基乙二胺中的一种或几种；所述抑制剂包括联吡啶、三吡啶、硫脲中的集中或几种；所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾或醇胺类物质中一种或几种。
因为本发明采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：
一、本发明技术方案使用了标准化卫星式柔版印刷机在基底上制备出预设的RFID标签图形，该印刷机的印刷原理是卷对卷式印刷（如图4），因此可以应用于工业流水化生产，提高生产效率，降低成本；此外，前驱诱发剂中的溶质仅溶解在水、酒精等常规溶剂中，使用柔版印刷机印制提前设计好的天线，根本无法得到完整的天线图形，而且不能对其进行结构性固定导致在后续的金属化溶液中天线图形边界发生毛细虹吸扩散导致精度急剧降低，因此，匹配于柔版印刷机的适印参数而又具有金属沉积活性的诱发剂油墨从未见提出过；一般助剂的引入又会导致一些新的问题，如无机的催化活性成分和有机助剂的相容性差、溶液适印参数的不稳定以及具有光引发功能的助剂和含有不饱和基团的高分子助剂之间的适配程度低等问题;本发明经过对助剂的性状选择、精确计算及大量尝试，使前驱诱发剂中的溶质溶剂能够稳定的分散在油墨体系的助剂中，而且适印参数也保持稳定（黏度1500~3500mPa·s(25℃)，表面张力25~38mN/m(25℃)），在柔版印刷机上具有优异的印刷适性，印刷出的天线图形比喷墨打印导电油墨/催化墨水方式精细度更高，且天线图形固化后诱发剂活性成分分布均匀，使得最终制备出的天线具有很高的精度。
二、采用本发明方法对带有RFID天线图形的基板进行结构性固定处理，其中高温处理（50~80℃、15~30min，温度过高会导致柔性基底发生形变，时长过久会降低制备速度）可以使得前驱诱发剂中的部分溶剂挥发；紫外辐照（紫外光波长为200~400nm）处理使得前驱诱发剂中的光引发成分吸收一定波长的能量从而被激发产生苯甲酰、甲基等自由基团，和助剂中部分高分子化合物的C-C双键、环氧基等不饱和基团发生交联固化反应在基底表面形成网状结构的膜层，可以避免制得的金属层由于膜层在金属化溶液中溶解而导致精度差的问题，同时使得金属层和基底之间具有更好的附着力；此外，紫外辐照处理会使得前驱诱发剂中的溶质（浓度为0.18~0.45mol/L）被还原为具有催化活性的粒子，增强了催化活性，从而提高了金属层的生长效率，并使制得的天线具有致密的结构。
三、本发明提供的柔性基射频识别电子标签天线的制造方法工艺简单，相比于基于喷墨印刷的制备工艺，本发明基于卷对卷式柔版印刷，更适合用于流水化大规模生产，提高了生产效率，降低了生产成本，并且具有更好的印刷精度及导电性能，可用于更加微型复杂的天线以及其它导电电路的制备。
四、本发明所制得的天线金属层致密均匀，在基板上的附着力好，金属线条电导率高。
附图说明
图1为通过柔版印刷技术在特斯林纸上制备出预设的天线图形；
图2为通过本发明提出的技术制备出的RFID标签天线；
图3为实施例1和对比例得到的标签天线金属铜层的SEM图；
图4为卷对卷柔版印刷示意图。
具体实施方式
实施例1：
步骤1：将1.5~2.5g乙酸银加入50ml去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入6~10ml乙醇、18~25ml水溶性环氧树脂、0.2~0.6g羧甲基纤维素、0.3~0.8g有机硅油、2~5ml异丙醇，最后加入氨水调溶液pH值为8~8.5，得到前驱诱发剂，表面张力为27.6mN/m（25℃），黏度为2143mPa·s。
步骤2：将步骤1中得到的前驱诱发剂加入到卫星式柔版印刷机的墨盘中，通过柔版印刷技术在特斯林纸上制备出预设的天线图层（如图1所示）。
步骤3：将步骤2中处理过的特斯林纸基底放置在50℃的恒温箱中20min，取出后用紫外光对其进行辐照。
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2处理后得到的带天线图形的特斯林纸在41℃条件下浸泡在金属化溶液中15min，取出并使用去离子水清洗，干燥，即可得到具有高精度线条的RFID电子标签天线。
实施例2：
步骤1：将4.5~8g氯化钯加入50ml去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入6~10ml乙醇、24~30ml聚乙烯醇、0.2~0.6g羧甲基纤维素、0.7~1.2g磷酸三丁酯、2~5ml异丙醇，最后加入氨水调溶液pH值为8~8.5，得到前驱诱发剂，表面张力为31.3mN/m（25℃），黏度为2879.1mPa·s。
步骤2：将步骤1中得到的前驱诱发剂加入到卫星式柔版印刷机的墨盘中，通过柔版印刷技术在特斯林纸上制备出预设的天线图层。
步骤3：将步骤2中处理过的特斯林纸基底放置在60℃的恒温箱中15min，取出后用紫外光对其进行辐照。
步骤4：将8g硫酸铜、2g硫酸镍、2g乙二胺四乙酸二钠、24g酒石酸钾钠、10g氢氧化钠、20mg亚铁氰化钾、12ml甲醛、10mg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54℃条件下浸泡在金属化溶液中25min，取出并使用去离子水清洗，干燥，即可得到具有高精度线条的RFID电子标签天线。
实施例3：
步骤1：将1.8g乙酸银加入50ml去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入6ml乙醇、20ml水溶性环氧树脂、0.6羧甲基纤维素、0.7g有机硅油、2ml异丙醇，最后加入氨水调溶液pH值为8~8.5，得到前驱诱发剂，表面张力为27.6 mN/m（25℃），黏度为2143mPa·s；
步骤2：将步骤1中得到的前驱诱发剂加入到卫星式柔版印刷机的墨盘中，通过柔版印刷技术在特斯林纸上制备出预设的天线图层（如图1所示）。
步骤3：将步骤2中处理过的特斯林纸基底放置在50℃的恒温箱中20min，取出后用紫外光对其进行辐照。
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2处理后得到的带天线图形的特斯林纸在41℃条件下浸泡在金属化溶液中15min，取出并使用去离子水清洗，干燥，即可得到具有高精度线条的RFID电子标签天线。
实施例4：
步骤1：将4.8g氯化钯加入50ml去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入5ml乙醇、30ml聚乙烯醇、0.6羧甲基纤维素、0.8g磷酸三丁酯、4ml丙三醇，最后加入氨水调溶液pH值为8~8.5，得到前驱诱发剂，表面张力为31.3mN/m（25℃），黏度为2879.1mPa·s；
步骤2：将步骤1中得到的前驱诱发剂加入到卫星式柔版印刷机的墨盘中，通过柔版印刷技术在特斯林纸上制备出预设的天线图层。
步骤3：将步骤2中处理过的特斯林纸基底放置在60℃的恒温箱中15min，取出后用紫外光对其进行辐照。
步骤4：将8g硫酸铜、2g硫酸镍、2g乙二胺四乙酸二钠、24g酒石酸钾钠、10g氢氧化钠、20mg亚铁氰化钾、12ml甲醛、10mg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54℃条件下浸泡在金属化溶液中25min，取出并使用去离子水清洗，干燥，即可得到具有高精度线条的RFID电子标签天线。
对比例1：
步骤1：将1.5~2.5g乙酸银加入50ml去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入6~10ml乙醇、18~25ml水溶性环氧树脂、0.2~0.6g羧甲基纤维素、0.3~0.8g有机硅油、2~5ml异丙醇，最后加入氨水调溶液pH值为8~8.5，得到前驱诱发剂，表面张力为27.6 mN/m（25℃），黏度为2143mPa·s。
步骤2：将步骤1中得到的前驱诱发剂加入到卫星式柔版印刷机的墨盘中，通过柔版印刷技术在特斯林纸上制备出预设的天线图层。
步骤3：将步骤2中处理过的特斯林纸基底放置在50℃的恒温箱中20min。
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2处理后得到的带天线图形的特斯林纸在41℃条件下浸泡在金属化溶液中15min，取出并使用去离子水清洗，干燥，即可得到具有高精度线条的RFID电子标签天线。
对比例2：
步骤1：将1.8g乙酸银加入50ml去离子水中，搅拌溶解后，再依次加入6ml乙醇、20ml水溶性环氧树脂、0.6羧甲基纤维素、0.7g有机硅油、2ml异丙醇，最后加入氨水调溶液PH值为8~8.5，得到前驱诱发剂，表面张力为29.6 mN/m（25℃），黏度为2643mPa·s；
步骤2：将步骤1中得到的前驱诱发剂加入到卫星式柔版印刷机的墨盘中，通过柔版印刷技术在特斯林纸上制备出预设的天线图层。
步骤3：将步骤2中处理过的特斯林纸基底放置在50℃的恒温箱中20min。
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2处理后得到的带天线图形的特斯林纸在41℃条件下浸泡在金属化溶液中15min，取出并使用去离子水清洗，干燥，即可得到具有高精度线条的RFID电子标签天线。
图3为实施例1和对比例得到的标签天线金属铜层的SEM图，根据图3可以得到，本发明实施例1经过了紫外光辐照的活化处理，所制得的天线金属层致密、均匀并且连续的附着在基材表面；对比例中的基材没有经过紫外引发处理，所制得的标签天线金属层存在大量的孔隙，金属膜层也不均匀。

Claims (9)

1.一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：配置适用于卷对卷柔版印刷的前驱诱发剂；
步骤2：使用步骤1中的前驱诱发剂在柔性基板上通过柔版印刷机印制出预先设计好的RFID标签天线的前驱图形；
步骤3：将步骤2处理后得到的带有天线图形的柔性基板进行结构性固定，然后避光保存；
步骤4：将步骤3处理后得到的带有RFID标签天线图形的柔性基板在金属化溶液中浸泡、加热、通气和干燥处理，即可在基板上得到RFID标签天线。
2.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤1所述的前驱诱发剂中溶质为可溶性银盐、可溶性钯盐和可溶性镍盐中的一种，溶剂为水，助剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、环氧树脂、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、聚丙烯酸钠、亚甲基双丙烯酰胺、磷酸三丁酯、己二醇二丙烯酸酯、有机硅油和羟基环己基苯基甲酮中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤1所述前驱诱发剂中溶质的浓度为0.18~0.45mol/L，所述前驱诱发剂中助剂的含量为34~42wt%。
4.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，25℃下前驱诱发剂的黏度为1500~3500mPa·s，25℃下表面张力为25~38mN/m。
5.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤2所述柔性基板为特斯林纸、相纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺。
6.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤2所述柔性基板上制备天线图形时采用的设备为卫星式柔版印刷机。
7.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤3所述处理的具体过程为：将经过处理的柔性基板放置在恒温箱中15~30min，取出并进行紫外光辐照；所述恒温箱的温度为50~80℃，所叙述紫外光波长为200~400nm。
8.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤4所述在金属化溶液中浸泡处理的具体过程为：将经过处理的柔性基板在温度为25~50℃的金属化溶液中浸泡15~35min，取出，冲洗，晾干。
9.根据权利要求1所述的一种柔性基射频识别电子标签天线的制造方法，其特征在于，步骤4所述金属化溶液包括金属盐、助溶剂、还原剂、抑制剂和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；所述助溶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、四羟丙基乙二胺中的一种或几种；所述抑制剂包括联吡啶、三吡啶、硫脲中的集中或几种；所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾或醇胺类物质中一种或几种。
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