无线射频技术（RFID）电子标签的印刷制作工艺分析

高溯 吕泽军 刘雅楠 齐元胜

RFID（Radio Frequency IdenTIficatiON）是一种通过射频信号的自动识别技术（通过射频信号获取目标对象的相关的数据信息），但是与其他一般的识别方式不同的是，RFID式识别方法是非接触式的。射频识别技术的核心在于标签的制作，以往射频识别往往采用“减法”工艺，通过刻蚀等方法将金属物质或堆积，或固定在基本载体上，而RFID的出现，给射频识别打开了一扇崭新的大门，采用新兴材料导电油墨作为天线的原材料，采用“加法”（印刷工艺）进行标签制作，采用印刷制造工艺使RFID变成了印刷流水线作业产品，令纸张也可以作为标签的载体，使得标签更加轻便，识别更加准确方便，限制变少，同时又大大提高了制作效率、降低了成本、避免了材料浪费，更加符合环保要求。

RFID技术具有以下优点：①RFID的非接触识别比接触型识别更加安全、轻便、快捷，也为远距离识别提供了可行性方案。②对被识别的电子标签限制极少，即使电子标签在高速运动或晃动中，只要标签信息的完整性符合要求，就可以准确识别其包含的信息，扩宽了射频识别技术应用的环境限制。③读写器可以同时识别多个电子标签，即可以高数量、高质量的快速识别标签，大大提升了工作效率。④此外，RFID的优点还在于可以进行双向识别，电子标签可以被读写器识别，读写器也可以被电子标签识别并相互交换数据（当然，最常用的是读写器对于电子标签信息的识别与更改）。

RFID原理及分类

在工作时，RFID读写器通过天线向周围持续发送出一定频率的信号，信号中包含着被编码的信息，电子标签一旦进入到读写器的信号范围便可以接收此脉冲信号，无源标签凭借磁场中的感应电流的能量发送出存储在芯片中的产品信息，即无内置电池的无源标签只能借助读取器发出的信号中的能量向外部发送包含信息的信号。

有源标签则可以不借助外部能量主动发送某一频率的信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断，如果命令可执行、密码正确并且检测到标签拥有执行此命令的权限，则对命令做出相应的反应。比如发出的是修改命令，控制逻辑电路则从硅片中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，读取器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行数据修改，信息系统再通过网络将修改后的信息发送给阅读器，阅读器再通过上述步骤将信息传达给卡内芯片，逻辑电路对命令判断后将新信息替代原来的信息，完成信息的更改。（另外标签还有安装有小型电池的半主动式标签）。

通常我们所说的RFID产品的关键在于物理层（终端信息储存），基本部件即为电子标签。电子标签由耦合元件及芯片组成，构成了包含着一系列的数据和信息的标识体系，数据及信息储存在硅片中，读取器读取的便是硅片当中的信息。RFID标签分为有源标签和无源标签，有源标签自带内置电源，所以运行速率较大，能承载更多的信息，信号传播较远，通常适用于远距离读取。而无源标签则没有内置电源，运行的电压来自于读取器的信号，运行速率较小，但制作成本低，并且轻便，常用于近距离快速识别。

RFID电子标签制造工艺分析

1.印刷前期准备工艺

①印刷材料

在概述里提到用导电油墨代替金属作为天线。导电油墨的主要成分是导电材料，是用导电做成油墨状，使其具有油墨的性能。现今应用最广泛的是纳米银油墨，通过化学方法制备，并且导电性极高，利于电子标签信息的储存与传递，黏度低，利于透过丝网工具。最重要的是实现了电子标签纸张化，使其更加方便。

②印刷环境与材料

导电油墨颗粒较大，并且天线的制作精度要求极高，所以，印刷单元使用丝网印刷的方式。但由于丝网印刷的原理及导电油墨的特殊性，对环境和材料要求极为苛刻。

应用喷墨技术的丝网印刷要求温度必须稳定在20℃～27℃，如果工作时温度有所变化，则会导致喷头出墨量产生偏差，甚至改变到导电油墨的导电性能，影响电子标签的质量。宽幅打印机的印刷环境理应控制在55%±5%，过高的湿度会引起纸张卷曲、网点扩大、喷墨打印环节套印不准等问题，湿度过低则导致纸张产生静电在输纸机构出产生双张甚至多张的情况。另外，喷墨打印单元对水平程度和平稳程度要求也很苛刻，水平影响喷墨单元的墨滴掉落的定位，而微小的震动就可能影响墨滴的运动轨迹，从而影响到电子标签的精度。

为了电子标签的需要，油墨必须保持良好的导电性和流变性能，还需要较低的黏度和較好的触变性流平性、黏弹性和流动性，并且颗粒需要在一定粒径范围内，才能满足喷墨打印单元的正常运行。在保持导电油墨的导电性能为基本前提下实际生产中常用增稠剂和撤黏剂等辅助剂等来调节导电油墨的流变性能。由于电子标签需要良好的套准精度，所以要求承印物的表面需要良好的平滑度，并且需要对导电油墨有良好的吸收性。

所以印刷制造电子标签时需要相对稳定的温度、湿度、水平程度和平稳程度以及油墨、纸张良好的印刷适性（最好采用铜版纸或者较为平滑的特种纸和纳米银油墨）。

值得一提的是纸张采用有孔特种纸，特种纸的边缘存在小孔，这种有孔纸在电子标签表面图文信息的印刷中发挥着巨大的作用，纸张长边小孔之间的距RFID芯片的长度相吻合，纸张宽边小孔之间的距离与RFID芯片的宽度一样，机器通过检测到小孔的位置，直接确定RFID芯片的位置，即确定了相对应的图文信息的印刷位置。

2.RFID的印刷制造工艺

大多数新兴技术的兴起，在最初都是服务于军方的，RFID也不例外，在早期射频识别技术识别发展中，最早是由美国国防部军需供应局投入研究并使用于物资运送，主要侧重其技术的方便程度。由于技术限制，只能采用刻蚀技术，但是显而易见，刻蚀技术要求在基底上进行钻刻，力度精度要求较高，浪费大量金属等原材料的同时又产生大量化学废液污染环境，极不环保，并且对图形的控制性较差，无法生产精细的比较微小的尺寸，限制极大。后来新兴的铜丝绕制法、化学腐蚀法、电镀法等均不如印刷法方便、快捷、成本低。导电油墨的出现使印刷工艺制作标签可行，将导电油墨作为电子标签天线的原材料，纸张作为基底，大大加快了生产效率，节约了用料，也能够进行精密电路图的印刷，并且十分环保。所以RFID已经变成了一种完全印刷工艺制作的产品，也正是印刷技术给了RFID大规模推广的机会，RFID从器件变成印刷产品，而制造机械也变演化了适用于导电油墨的印刷机。

传统方法制作RFID芯片使用刻蚀技术，先将感光油涂到覆铜板上（感光蓝油危害环境，不环保），使用紫外灯曝光除需要刻蚀外另外的部分（能量消耗较大，紫外线使用较为危险，精度要求较高），将覆铜板先后置于显影剂和刻蚀剂中，覆铜板表面的铜将以肉眼可见的速度被迅速腐蚀（这一步骤中，浪费掉大量的铜金属，并使这种重金属影响周边环境与操作人身体健康，另外刻蚀剂十分不环保，对环境危害较大，并且操作中十分危险，容易将皮肤灼伤），大量清水冲洗后烘干，电路便显现出来。

而使用印刷的方法将芯片制作则即为环保安全，直接将导电油墨印刷在特种纸上，喷墨打印的技术使精度十分高，并且人力节省较大，效率也相应提高。

RFID的发展前景展望

为满足人们日益增长的生活水平要求，RFID的推广是势在必行的，而同样，RFID的推广与发展也会影响印刷业的发展，简单来说，RFID将给印刷行业带来第二春，RFID的迅猛发展定会促进推陈出新，同时也就促进印刷技术大革新，印刷理念大为更改。印刷业与RFID相互促进，在今后几年将会出现为期不短的繁荣景象。

在智能概念普及的当下，印刷可以分为狭义印刷和广义印刷两种不同的解读，狭义印刷即传统印刷，纸质和书刊的白纸黑字式印刷，在逐渐受到电子刊物崛起的冲击后，印刷开始了艰难的转型和升级，RFID的介入是一次革命性的变革，标志着印刷正式从纸质品印刷向电子信息载体的升级和迈进。

印刷有其独特的制造优势，自由度高，修改方便，可批量生产，成本低，危险性小，是未来智能制造的重要生产方式之一。RFID标签可以认为是电子芯片的简化版，在其外部是供人阅读的图文信息，内部是供机器阅读的电子信息，兼备了物理视觉和机器视觉两种信息读取的能力，非接触式的稳定信息源保证了信息在极限环境下传播的可能性。

可以做如下比喻：民用标签是商业的眼睛，防伪追溯，价格识别，与区块链工程相结合，电子实体经济齐头并进；工业标签是机器的眼睛，网络化的标签体系囊括了整个机器人的运动区域纤毫毕现，多网点的定位方式相比于单AP的信号定位，消除了信道折跃和检测误差的问题，无须傅里叶变换和打包处理，重要的是其無线电特性虽然限制了空间却开放了领域，可以在极端环境下大放异彩。

印刷行业在高精尖制造领域的的巨大作用显而易见，当传统步入夕阳，广义的科技印刷和绿色印刷迎面而来，散发出了新的光辉色彩，尤其当广义印刷拜摆脱狭义印刷的束缚，拓展到印刷制造方面，更有广阔的前景。

并且应用印刷技术制造出来的RFID具有更大的优势，可以应用于各种环境下，比如极冷极热或者太空真空下，印刷中只要添加抗热隔水覆膜RFID便可以抵抗各种恶劣环境的侵蚀，扩宽了无线射频技术的应用范围。

RFID已经成为大规模印刷作业生产流水线，新兴的RFID通过印刷技术的发展也拥有了更加强大的监控、定位等许多的功能，应用于物流、医疗、图书馆藏等方面，印刷将RFID更加迅速地推向世界，也推向各行各业。

（作者简介：高溯，刘雅楠系北京印刷学院机械专业本科生；吕泽军，北京印刷学院印刷工程专业本科生；齐元胜，北京印刷学院机电工程学院院长）