《電子技術應用》
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RFID的標簽技術:天線和芯片

2015-01-05

    目前,RFID標簽技術的進展,主要集中在天線芯片的制造材料與印刷工藝方面,并成為印刷電子技術一個重要的研究方向

  相比RFID標簽制作的其他技術,印制技術的誕生使RFID標簽在低成本、高效率和環保化方面具有不可比擬的優勢,為其進一步在民用領域發揮作用提供了極大的可能。

  制造材料的進展

  1、天線材料

  主流RFID天線主要以銅和鋁為材料,分別通過線圈繞制和蝕刻工藝制作,產品在可靠性和使用壽命上具有很大優勢,因此占據了絕大部分市場。

  然而,隨著納米技術的興起,可直接印制RFID天線的納米油墨(采用導電材料制成)對現有材料提出了挑戰。根據IDtechEX(知名市場研究公司) 統計,2012年全球導電油墨占有28.6億美元的市場,預計2018年導電油墨市場將達到33.6億美元,屆時,納米銀導電油墨和納米銅導電油墨市場將 達到7.35億美元。

  不過,納米導電油墨印制RFID天線技術,目前仍面臨著油墨附著力、耐摩擦性、印刷均勻性、導電性與防氧化性需要改善等問題。

  (1)納米銀導電油墨

  納米銀導電油墨具有優異的導電性、防氧化性,加上其技術成熟度較高,是印制RFID天線的首選材料。

  華中科技大學相關研究組以次磷酸鈉為還原劑、六偏磷酸鈉為分散劑、PVP為保護劑,與硝酸銀溶液反應,制得紫紅色銀溶膠,加入pH調節劑,將銀溶膠 pH值調節至3,經過濾、鈍化、洗滌等操作,在60℃溫度環境下真空干燥得到平均粒徑為30nm左右的納米銀粉,再加入到FA-406油墨中配置成導電油 墨,固化后,該導電油墨具有較好的柔韌性和耐濕熱性,且導電性高、印刷均勻性也好。

  (2)納米銅導電油墨

  納米銅導電油墨雖然導電性比納米銀導電油墨稍差,但價格具有很大的競爭優勢,近年來開始成為研究熱點。不過,銅的化學性質活潑,這使得如何避免納米銅顆粒在合成與應用中氧化成為一大難點。

  有公司在有機溶劑乙二醇中采用還原法,成功制備了直徑為30~50nm的球形納米銅,且無其他的氧化物存在,這表明乙二醇可以防止納米銅氧化,同時聚乙二醇分散劑可以增加納米銅粒子的分散穩定性及均勻性。

  2、芯片材料

  在芯片制造領域,衡量制造工藝的基準是芯片內晶體管與導線相連接的寬度,即線寬,寬度越細,該制造工藝越精準。受到原子元件尺寸的限制,半導體芯片的線寬有其物理極限,芯片體積不可能無限小,因此,通、斷電的頻率到一定程度就很難再提高。

  采用碳納米管(CNTs)來取代硅晶體管,是突破這個瓶頸的最佳方法。CNTs與其他半導體材料相比,不僅尺寸小、電學性能優異、物理和化學性質穩 定,而且CNTs構建的晶體管還具有發熱量更少以及運行頻率更高等優點,同時,CNTs容易實現溶液化,分離純化后的CNTs墨水能印刷出高性能的薄膜晶 體管器件。

  不可避免的,CNTs也存在著缺點,即制備的CNTs中同時含有金屬性和半導體性CNTs。因此,在芯片制造領域,其需要經過分離處理,得到半導體性質的CNTs才能發揮相應的作用。

  目前,單壁CNTs的分離一般基于化學方法,較為成熟,有電泳分離法(electrophoretic separation)和層離法(chromatographic method)等,但往往涉及到多種化學試劑,如加入表面活性劑會產生摻雜效應,所以,分離需要多步物理化學過程來完成。

  近幾年,又出現了一種全新的分離CNTs的方法——庫侖爆炸法。庫倫爆炸法利用靜電排斥的原理使一束單壁CNTs帶上同種電荷,當電荷之間的排斥力大 于CNTs之間的范德華力時,即發生庫侖爆炸。這種爆炸能使一束碳納米管相互分離,形成一種獨特、新奇的放射狀格局,被命名為“納米樹” (nanotree)。經拉曼光譜(Raman spectra)等測試證明,分離后的CNTs具有較小的直徑,不到3nm,甚至出現結構完整的單根CNTs。

  同時出現的還有其他新技術,如利用不同序列的DNA識別金屬性和半導體性單壁CNTs。DNA識別雖然靈敏,但成本高,且耗時長。縮短這一時長可以通 過兩相萃取,將不同屬性單壁CNTs分離開來,整個過程只需4分鐘,比傳統的方法快了數十倍,而且成本大幅降低,為分離出的單壁CNTs走向真正意義的應 用提供了可能。

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