基于直寫技術(shù)的平面螺旋天線的研究

白育全，文學(xué)洙，Lee In Hwan，Kim Min Kyung

(1.延邊大學(xué)工學(xué)院 機(jī)械工程系，吉林 延吉 133002；2.韓國忠北大學(xué) 機(jī)械工程系 Nano & Bio實驗室，忠清北道 清州 361763)

RFID(Radio frequency identification)技術(shù)由于具有抗干擾、效率高等優(yōu)點[1]，近年來在物流管理、身份識別、電子貨幣等領(lǐng)域被廣泛使用.平面螺旋天線作為RFID標(biāo)簽的重要組成部分，其生產(chǎn)方式大部分是由繞線、蝕刻等技術(shù)制作.文獻(xiàn)[2]研究表明，通過蝕刻等各種技術(shù)制造平面螺旋天線時需要經(jīng)過熱、機(jī)械壓力、化學(xué)腐蝕等工藝，因此對基板的材質(zhì)有一定的限制，除此之外還需要考慮制造工藝復(fù)雜程度和制造成本.文獻(xiàn)[3]介紹了網(wǎng)版印刷、凸版印刷等制造平面螺旋天線的方式，但由于這些技術(shù)需要轉(zhuǎn)印等工序，增加了制造成本.由于直寫技術(shù)具有對基板材質(zhì)要求不高、制造方式簡單等優(yōu)點，并且可以通過計算機(jī)編程任意修改天線的尺寸，因此，本文利用直寫技術(shù)探討制造平面螺旋天線的可行性.

1 實驗設(shè)備及工作原理

研究采用的導(dǎo)電性油墨為CANS ELCOAT-P100，它具有良好的導(dǎo)電性、附著性，可在常溫下干燥.實驗裝置如圖1所示，圖中實驗裝置的規(guī)格如表1所示.實驗中需要把裝滿導(dǎo)電油墨的容器固定在Z軸上，并利用直角坐標(biāo)系統(tǒng)控制其在X、Y、Z軸上的運動.為了使導(dǎo)電性油墨可以定量地噴出，采用壓力補(bǔ)償控制器控制壓力的強(qiáng)度，使導(dǎo)電性油墨直接從針頭被擠壓到基板上，同時利用直角坐標(biāo)系統(tǒng)控制針頭的移動，從而得到所設(shè)計的形狀[4].

(a) 整體實驗裝置圖

(b) 填裝導(dǎo)電性油墨示意圖

表1 實驗裝置規(guī)格

2 速度和壓力對線寬的影響

直寫技術(shù)中針頭的移動速度對產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，如果超速將會導(dǎo)致導(dǎo)線斷路，產(chǎn)品無法使用.為考察不同速度對導(dǎo)線線寬的影響，本文在速度變化范圍為2～10 mm/s的條件下，分別在不施加壓力和施加壓力(10 kPa)的情況下進(jìn)行試驗.試驗所用針頭內(nèi)徑均為180 μm.

不施加壓力時，導(dǎo)電性油墨的噴出量依靠其自身重力來實現(xiàn)，因此，實驗過程中控制好針頭與基板的距離十分關(guān)鍵，控制不好就會導(dǎo)致導(dǎo)電性油墨與基板無法接觸.如圖2所示：隨著針頭移動速度的增加，線寬呈減小趨勢.經(jīng)萬用表測定顯示，電流均可以正常通過各段導(dǎo)線.

圖2 移動速度對線寬的影響

施加壓力時的試驗情況如圖3所示：隨著針頭移動速度的增加，線寬雖然仍呈減小趨勢，但減小幅度比無壓力時更均勻，而且線寬有了明顯的增加.經(jīng)萬用表測定顯示，電流均可以正常通過各段導(dǎo)線.以上試驗表明，施加壓力后可有效增加線寬，且不需要嚴(yán)格控制針頭與基板之間的距離，因此施加壓力更有利于試驗的進(jìn)行.

圖3 移動速度對線寬的影響(10 kPa)

3 電感的計算

電感值隨平面螺旋天線線圈形狀的變化發(fā)生變化，其計算方法較多，但由于相對于線寬來說導(dǎo)線的厚度非常薄，大多數(shù)電感值的計算方法中都忽略了導(dǎo)線的厚度.公式(1)為沒有考慮導(dǎo)線厚度的Modified wheeler電感計算公式[5]：

(1)

其中:davg=0.5(dout+din);ρ=(dout-din)/(dout+din);n為電感的圈數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)率，約為1.257 μH/m.從(1)式可以看出，電感值隨著圈數(shù)、dout和din的增大而增大.

如果考慮導(dǎo)線的厚度，Grover法[6]可以更精確地計算出天線的電感值，其計算公式為：

LT=L0+∑M,

(2)

L0=∑Ln,

(3)

(4)

其中：LT為總電感值，L0為電感的自感，M為互感,Ln為螺旋電感各段的自感，ln為螺旋電感每段的長度，w和t分別是導(dǎo)線的寬度和厚度.從(4)式可以看出，導(dǎo)線厚度僅會略微減小電感值，其計算過程相對復(fù)雜.

4 螺旋天線的制作

通過尺寸設(shè)計，以及計算機(jī)編程，所制作的平面螺旋天線如圖4所示.在測量所制造的平面螺旋天線的實際尺寸后，將其代入(2)—(4)式計算，結(jié)果約為2.7 μH.

圖4 利用直寫技術(shù)制造的平面螺旋天線

為了測量天線的實際電感值，使用HP公司生產(chǎn)的4263B LCR表對若干個天線線圈進(jìn)行測量，其測量值為2.6～3.1 μH.理論計算值在實際測量結(jié)果范圍內(nèi)，這說明在制作具有一定電感值的平面螺旋天線時，可以利用電感計算方法來提前推斷其電感值是否符合設(shè)計要求.

將天線的兩端與IC卡芯片連接，制作成簡單的標(biāo)簽后，利用閱讀器對標(biāo)簽進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)所制作的標(biāo)簽可以正常工作，說明線圈內(nèi)部磁通量的變化產(chǎn)生了電壓，電壓足以提供正常的能量來支持芯片正常工作，使芯片可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

5 結(jié)論

本文利用直寫技術(shù)制作了平面螺旋天線，理論計算值和實測電感值顯示，計算值在測量結(jié)果值范圍內(nèi)，因此在現(xiàn)有實驗設(shè)備條件下可以使用直寫技術(shù)來制作平面螺旋天線.由于本次實驗僅研究了速度對實驗的影響，因此，在今后的研究中將考慮不同壓力以及針頭內(nèi)徑大小對試驗的影響，以確定最佳試驗參數(shù).

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴彩艷.13.56 MHz RFID讀寫器天線的研究與設(shè)計[D].福州：福建師范大學(xué)，2013.

[2] 劉麗梅，李娟，蘇冠群.RFID天線制作應(yīng)用價值及前景分析[J].金卡工程，2007(12)：54-56.

[3] 劉春格.RFID電子標(biāo)簽天線的印刷[J].出版與印刷，2011(1):37-39.

[4] Oh Sung Taek, Lee In Hwan, Cho Hae Yong. Fabrication characteristics of conductive materials for the flow rate and nozzle moving speed[J]. Journal of Industrial Science and Technology Institute, 2013,27(1):1-4.

[5] Mohan S S, Hershenson M, Boyd S P, et al. Simple accurate expressions for planar spiral inductances[J]. IEEE J Solid-State Circuits, 1999,34(10):1419-1424.

[6] Greenhouse H M, Member Senior. Design of planar rectangular microelectronic inductors[J]. IEEE Transaction on Parts, Hybrids, and Packing, 1974,10(2)：101-109.