無線射頻技術(shù)（RFID）電子標(biāo)簽的印刷制作工藝分析

高溯 呂澤軍 劉雅楠 齊元勝

RFID（Radio Frequency IdenTIficatiON）是一種通過射頻信號的自動識別技術(shù)（通過射頻信號獲取目標(biāo)對象的相關(guān)的數(shù)據(jù)信息），但是與其他一般的識別方式不同的是，RFID式識別方法是非接觸式的。射頻識別技術(shù)的核心在于標(biāo)簽的制作，以往射頻識別往往采用“減法”工藝，通過刻蝕等方法將金屬物質(zhì)或堆積，或固定在基本載體上，而RFID的出現(xiàn)，給射頻識別打開了一扇嶄新的大門，采用新興材料導(dǎo)電油墨作為天線的原材料，采用“加法”（印刷工藝）進(jìn)行標(biāo)簽制作，采用印刷制造工藝使RFID變成了印刷流水線作業(yè)產(chǎn)品，令紙張也可以作為標(biāo)簽的載體，使得標(biāo)簽更加輕便，識別更加準(zhǔn)確方便，限制變少，同時又大大提高了制作效率、降低了成本、避免了材料浪費(fèi)，更加符合環(huán)保要求。

RFID技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①RFID的非接觸識別比接觸型識別更加安全、輕便、快捷，也為遠(yuǎn)距離識別提供了可行性方案。②對被識別的電子標(biāo)簽限制極少，即使電子標(biāo)簽在高速運(yùn)動或晃動中，只要標(biāo)簽信息的完整性符合要求，就可以準(zhǔn)確識別其包含的信息，擴(kuò)寬了射頻識別技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境限制。③讀寫器可以同時識別多個電子標(biāo)簽，即可以高數(shù)量、高質(zhì)量的快速識別標(biāo)簽，大大提升了工作效率。④此外，RFID的優(yōu)點(diǎn)還在于可以進(jìn)行雙向識別，電子標(biāo)簽可以被讀寫器識別，讀寫器也可以被電子標(biāo)簽識別并相互交換數(shù)據(jù)（當(dāng)然，最常用的是讀寫器對于電子標(biāo)簽信息的識別與更改）。

RFID原理及分類

在工作時，RFID讀寫器通過天線向周圍持續(xù)發(fā)送出一定頻率的信號，信號中包含著被編碼的信息，電子標(biāo)簽一旦進(jìn)入到讀寫器的信號范圍便可以接收此脈沖信號，無源標(biāo)簽憑借磁場中的感應(yīng)電流的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，即無內(nèi)置電池的無源標(biāo)簽只能借助讀取器發(fā)出的信號中的能量向外部發(fā)送包含信息的信號。

有源標(biāo)簽則可以不借助外部能量主動發(fā)送某一頻率的信號，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷，如果命令可執(zhí)行、密碼正確并且檢測到標(biāo)簽擁有執(zhí)行此命令的權(quán)限，則對命令做出相應(yīng)的反應(yīng)。比如發(fā)出的是修改命令，控制邏輯電路則從硅片中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線再發(fā)送給閱讀器，讀取器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，信息系統(tǒng)再通過網(wǎng)絡(luò)將修改后的信息發(fā)送給閱讀器，閱讀器再通過上述步驟將信息傳達(dá)給卡內(nèi)芯片，邏輯電路對命令判斷后將新信息替代原來的信息，完成信息的更改。（另外標(biāo)簽還有安裝有小型電池的半主動式標(biāo)簽）。

通常我們所說的RFID產(chǎn)品的關(guān)鍵在于物理層（終端信息儲存），基本部件即為電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，構(gòu)成了包含著一系列的數(shù)據(jù)和信息的標(biāo)識體系，數(shù)據(jù)及信息儲存在硅片中，讀取器讀取的便是硅片當(dāng)中的信息。RFID標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽自帶內(nèi)置電源，所以運(yùn)行速率較大，能承載更多的信息，信號傳播較遠(yuǎn)，通常適用于遠(yuǎn)距離讀取。而無源標(biāo)簽則沒有內(nèi)置電源，運(yùn)行的電壓來自于讀取器的信號，運(yùn)行速率較小，但制作成本低，并且輕便，常用于近距離快速識別。

RFID電子標(biāo)簽制造工藝分析

1.印刷前期準(zhǔn)備工藝

①印刷材料

在概述里提到用導(dǎo)電油墨代替金屬作為天線。導(dǎo)電油墨的主要成分是導(dǎo)電材料，是用導(dǎo)電做成油墨狀，使其具有油墨的性能?，F(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的是納米銀油墨，通過化學(xué)方法制備，并且導(dǎo)電性極高，利于電子標(biāo)簽信息的儲存與傳遞，黏度低，利于透過絲網(wǎng)工具。最重要的是實(shí)現(xiàn)了電子標(biāo)簽紙張化，使其更加方便。

②印刷環(huán)境與材料

導(dǎo)電油墨顆粒較大，并且天線的制作精度要求極高，所以，印刷單元使用絲網(wǎng)印刷的方式。但由于絲網(wǎng)印刷的原理及導(dǎo)電油墨的特殊性，對環(huán)境和材料要求極為苛刻。

應(yīng)用噴墨技術(shù)的絲網(wǎng)印刷要求溫度必須穩(wěn)定在20℃～27℃，如果工作時溫度有所變化，則會導(dǎo)致噴頭出墨量產(chǎn)生偏差，甚至改變到導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性能，影響電子標(biāo)簽的質(zhì)量。寬幅打印機(jī)的印刷環(huán)境理應(yīng)控制在55%±5%，過高的濕度會引起紙張卷曲、網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大、噴墨打印環(huán)節(jié)套印不準(zhǔn)等問題，濕度過低則導(dǎo)致紙張產(chǎn)生靜電在輸紙機(jī)構(gòu)出產(chǎn)生雙張甚至多張的情況。另外，噴墨打印單元對水平程度和平穩(wěn)程度要求也很苛刻，水平影響噴墨單元的墨滴掉落的定位，而微小的震動就可能影響墨滴的運(yùn)動軌跡，從而影響到電子標(biāo)簽的精度。

為了電子標(biāo)簽的需要，油墨必須保持良好的導(dǎo)電性和流變性能，還需要較低的黏度和較好的觸變性流平性、黏彈性和流動性，并且顆粒需要在一定粒徑范圍內(nèi)，才能滿足噴墨打印單元的正常運(yùn)行。在保持導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性能為基本前提下實(shí)際生產(chǎn)中常用增稠劑和撤黏劑等輔助劑等來調(diào)節(jié)導(dǎo)電油墨的流變性能。由于電子標(biāo)簽需要良好的套準(zhǔn)精度，所以要求承印物的表面需要良好的平滑度，并且需要對導(dǎo)電油墨有良好的吸收性。

所以印刷制造電子標(biāo)簽時需要相對穩(wěn)定的溫度、濕度、水平程度和平穩(wěn)程度以及油墨、紙張良好的印刷適性（最好采用銅版紙或者較為平滑的特種紙和納米銀油墨）。

值得一提的是紙張采用有孔特種紙，特種紙的邊緣存在小孔，這種有孔紙在電子標(biāo)簽表面圖文信息的印刷中發(fā)揮著巨大的作用，紙張長邊小孔之間的距RFID芯片的長度相吻合，紙張寬邊小孔之間的距離與RFID芯片的寬度一樣，機(jī)器通過檢測到小孔的位置，直接確定RFID芯片的位置，即確定了相對應(yīng)的圖文信息的印刷位置。

2.RFID的印刷制造工藝

大多數(shù)新興技術(shù)的興起，在最初都是服務(wù)于軍方的，RFID也不例外，在早期射頻識別技術(shù)識別發(fā)展中，最早是由美國國防部軍需供應(yīng)局投入研究并使用于物資運(yùn)送，主要側(cè)重其技術(shù)的方便程度。由于技術(shù)限制，只能采用刻蝕技術(shù)，但是顯而易見，刻蝕技術(shù)要求在基底上進(jìn)行鉆刻，力度精度要求較高，浪費(fèi)大量金屬等原材料的同時又產(chǎn)生大量化學(xué)廢液污染環(huán)境，極不環(huán)保，并且對圖形的控制性較差，無法生產(chǎn)精細(xì)的比較微小的尺寸，限制極大。后來新興的銅絲繞制法、化學(xué)腐蝕法、電鍍法等均不如印刷法方便、快捷、成本低。導(dǎo)電油墨的出現(xiàn)使印刷工藝制作標(biāo)簽可行，將導(dǎo)電油墨作為電子標(biāo)簽天線的原材料，紙張作為基底，大大加快了生產(chǎn)效率，節(jié)約了用料，也能夠進(jìn)行精密電路圖的印刷，并且十分環(huán)保。所以RFID已經(jīng)變成了一種完全印刷工藝制作的產(chǎn)品，也正是印刷技術(shù)給了RFID大規(guī)模推廣的機(jī)會，RFID從器件變成印刷產(chǎn)品，而制造機(jī)械也變演化了適用于導(dǎo)電油墨的印刷機(jī)。

傳統(tǒng)方法制作RFID芯片使用刻蝕技術(shù)，先將感光油涂到覆銅板上（感光藍(lán)油危害環(huán)境，不環(huán)保），使用紫外燈曝光除需要刻蝕外另外的部分（能量消耗較大，紫外線使用較為危險，精度要求較高），將覆銅板先后置于顯影劑和刻蝕劑中，覆銅板表面的銅將以肉眼可見的速度被迅速腐蝕（這一步驟中，浪費(fèi)掉大量的銅金屬，并使這種重金屬影響周邊環(huán)境與操作人身體健康，另外刻蝕劑十分不環(huán)保，對環(huán)境危害較大，并且操作中十分危險，容易將皮膚灼傷），大量清水沖洗后烘干，電路便顯現(xiàn)出來。

而使用印刷的方法將芯片制作則即為環(huán)保安全，直接將導(dǎo)電油墨印刷在特種紙上，噴墨打印的技術(shù)使精度十分高，并且人力節(jié)省較大，效率也相應(yīng)提高。

RFID的發(fā)展前景展望

為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活水平要求，RFID的推廣是勢在必行的，而同樣，RFID的推廣與發(fā)展也會影響印刷業(yè)的發(fā)展，簡單來說，RFID將給印刷行業(yè)帶來第二春，RFID的迅猛發(fā)展定會促進(jìn)推陳出新，同時也就促進(jìn)印刷技術(shù)大革新，印刷理念大為更改。印刷業(yè)與RFID相互促進(jìn)，在今后幾年將會出現(xiàn)為期不短的繁榮景象。

在智能概念普及的當(dāng)下，印刷可以分為狹義印刷和廣義印刷兩種不同的解讀，狹義印刷即傳統(tǒng)印刷，紙質(zhì)和書刊的白紙黑字式印刷，在逐漸受到電子刊物崛起的沖擊后，印刷開始了艱難的轉(zhuǎn)型和升級，RFID的介入是一次革命性的變革，標(biāo)志著印刷正式從紙質(zhì)品印刷向電子信息載體的升級和邁進(jìn)。

印刷有其獨(dú)特的制造優(yōu)勢，自由度高，修改方便，可批量生產(chǎn)，成本低，危險性小，是未來智能制造的重要生產(chǎn)方式之一。RFID標(biāo)簽可以認(rèn)為是電子芯片的簡化版，在其外部是供人閱讀的圖文信息，內(nèi)部是供機(jī)器閱讀的電子信息，兼?zhèn)淞宋锢硪曈X和機(jī)器視覺兩種信息讀取的能力，非接觸式的穩(wěn)定信息源保證了信息在極限環(huán)境下傳播的可能性。

可以做如下比喻：民用標(biāo)簽是商業(yè)的眼睛，防偽追溯，價格識別，與區(qū)塊鏈工程相結(jié)合，電子實(shí)體經(jīng)濟(jì)齊頭并進(jìn)；工業(yè)標(biāo)簽是機(jī)器的眼睛，網(wǎng)絡(luò)化的標(biāo)簽體系囊括了整個機(jī)器人的運(yùn)動區(qū)域纖毫畢現(xiàn)，多網(wǎng)點(diǎn)的定位方式相比于單AP的信號定位，消除了信道折躍和檢測誤差的問題，無須傅里葉變換和打包處理，重要的是其無線電特性雖然限制了空間卻開放了領(lǐng)域，可以在極端環(huán)境下大放異彩。

印刷行業(yè)在高精尖制造領(lǐng)域的的巨大作用顯而易見，當(dāng)傳統(tǒng)步入夕陽，廣義的科技印刷和綠色印刷迎面而來，散發(fā)出了新的光輝色彩，尤其當(dāng)廣義印刷拜擺脫狹義印刷的束縛，拓展到印刷制造方面，更有廣闊的前景。

并且應(yīng)用印刷技術(shù)制造出來的RFID具有更大的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于各種環(huán)境下，比如極冷極熱或者太空真空下，印刷中只要添加抗熱隔水覆膜RFID便可以抵抗各種惡劣環(huán)境的侵蝕，擴(kuò)寬了無線射頻技術(shù)的應(yīng)用范圍。

RFID已經(jīng)成為大規(guī)模印刷作業(yè)生產(chǎn)流水線，新興的RFID通過印刷技術(shù)的發(fā)展也擁有了更加強(qiáng)大的監(jiān)控、定位等許多的功能，應(yīng)用于物流、醫(yī)療、圖書館藏等方面，印刷將RFID更加迅速地推向世界，也推向各行各業(yè)。

（作者簡介：高溯，劉雅楠系北京印刷學(xué)院機(jī)械專業(yè)本科生；呂澤軍，北京印刷學(xué)院印刷工程專業(yè)本科生；齊元勝，北京印刷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院院長）