目前很多研究都致力于把喷墨印刷应用到制造业，其中把其应用于RFID电子标签天线的制造是一个很具有前沿意义的领域。相对于其它制造方法，喷墨印刷具有材料浪费少、成本低、对环境危害小等优势。喷墨印刷是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术;它可印刷从导电聚合物到金属的各种材料，而喷墨印刷过程中,喷嘴不与承印物接触,所以可在各种材料的底板上进行印刷;喷墨印刷还是一种全数字驱动、适用于大面积印刷、过程简单、可直接成型且对环境危害小的技术方法。

　　在RFID电子标签天线的特性表征中,常常涉及到一些与薄膜厚度和宽度相关的物理量,如导线的导电性，所以为了稳定天线的印刷工艺品质,提高天线的生产率和成品率,控制丝网印刷的墨层厚度是其关键制造技术之一。

　　1 喷墨印刷原理

　　喷墨印刷按喷墨系统的不同,可以分为连续式和按需式喷墨。与连续式相比按需式喷墨可以按需要把墨滴喷射到承印物上，目前主要应用的有热气泡式和压电晶体振荡式两种。在RFID标签天线的制造中通常选用压电式喷墨印刷，因为与热气泡按需喷墨印刷相比具有墨点形状规则、墨点大小可控、喷射速度可控等优点。

　　压电式喷墨印刷的工作原理图如下图1:

　　图1：压电式喷墨印刷的工作原理图

　　Fig.1: The principle diagram of Piezoelectric inkjet printing

　　用文字描述为：在墨水腔的一侧装有压电板，当给压电板施加一个电流激励，压电板有电流通过时，压电板形状将产生微小的变形，表面凸起呈月牙形，并凸向墨水腔，墨水腔的容积将变小，里面的油墨受到挤压，在墨水通道内产生压力波，在压力波的推动下，微量墨水便从喷孔喷出，形成墨滴，随后，压电板形状恢复到原来的位置，等待下一个喷墨循环，墨滴也一定速度转移到承印材料上。

　　2 模型建立

　　通过输入连续稳定的电流激励和控制好压电板材料的特性便可以喷射出形状和大小基本一致的墨滴。可以将墨滴近似看作球体，通过控制脉冲信号使喷墨印刷机连续喷出n个墨滴，测量其总体积，假定为v总，那么每个液滴的体积便可以得出，即

　　(1)

　　再假设单个墨滴的半径为r，那么根据几何上球体体积计算公式v= πr3可得：

　　(2)

　　墨膜的形成过程也就是墨滴的沉积的过。墨滴的沉积是一个极其复杂的过程。整个沉积过程可分为运动、射流、驰豫、平衡四个阶段，随着这四个阶段的进行，墨滴形态不断发生变化。另外有很多因素影响墨滴的碰撞沉积，如墨滴自身具有的性质、碰撞速度、碰撞角度、承印物的性质等。从上分析来看，如果对液滴在每个阶段的变形情况都加以研究将是一项非常复杂的过程。

　　下面仅研究墨滴在平衡状态时的情况。假设墨滴以一定的速度沉积到承印材料上，在承印材料上没有渗透，只发生铺展。墨滴达到平衡后,在承印物上形成一个高度从中间向边界递减的膜层,把其视为球体的一部分。设平衡时墨滴半径为D，中心位置高为h，球形半径为R，见下图2:

　　图2：平衡时各常量关系图

　　Fig.2:Relation among constant s at balance

　　由沉积前后墨滴总体积不变，便可得下式：

　　(3) 由于墨滴达到平衡状态后与承印物的接触角保持不变,由上图可知：

　　(4)

　　另外D、R 和h 满足下列关系： (5)

　　由(3)-(5)联立可解得：

　　(6)

　　这里解得的D便是液滴平衡状态时也就是液滴铺展后的铺展直径。其中公式中所用的接触角θ可通过斜板法、长度测量法等测出。

　　膜层的形成是有适当数目的墨滴叠加而成的，墨滴的叠加所形成的膜层的宽度和厚度与多个因素有关，像墨滴的大小、墨滴的铺展半径、油墨中溶质颗粒的含量、打印分辨率等。印刷物体用x、y方向上的像素表示，其中x表示印刷方向，y表示法线方向。液滴沉积中，每个被喷出的液滴代表一个像素。两个相邻液滴间的中心距离称为点距，用Dp表示。那么膜层的长度或宽度可表示为：

　　(7)

　　同样也可以表示膜层的厚度，假设所印刷的膜层在x方向上由x个像素组成，在y方向上y个像素组成，溶质颗粒占油墨溶液的体积分数为λ，则膜层的厚度可表示为：

　　(8)

　　综上可以看出，影响膜层厚度的因素有墨水中溶质颗粒的含量、墨滴的铺展直径、喷墨印刷机的打印精度、打印线条的宽度等。

　　3 铺展直径对膜层厚度的影响

　　由公式(8)可以看出墨滴的铺展直径与膜层厚度成反相关性。而影响墨滴铺展的因素便有墨滴碰撞速度和墨滴的大小，所以可以通过影响单个墨滴铺展的因素来间接分析其对膜层厚度的影响。

　　通过软件模拟，当液滴大小为100微米，碰撞速度分别为1.75英寸每米、3.60英寸每米时，最大铺展直径分别为256微米、304微米，而平衡态的铺展直径基本相同，为183微米;当液滴大小为200微米时，碰撞速度分别为1.58英寸每米、3.40英寸每米时，最大铺展直径分别为546微米、661微米，而平衡态的碰撞速度也基本相同，为364微米，其中碰撞速度都垂直向下。

　　由以上模拟可知，墨滴的最大铺展直径和碰撞速度有关系，而平衡态的直径基本不受碰撞速度的影响;墨滴平衡时的铺展直径随墨滴大小的增大而增大。另外影响铺展直径的因素还有墨滴碰撞角度、we数等。

　　4 溶质颗粒含量对膜层厚度的影响

　　由膜层厚度公式还可以看出在其他因素不变的情况下，膜层厚度与墨水中溶质颗粒的含量成正比，颗粒含量越高，膜层厚度越高。为了获得更多需要的电特性，需要增加膜层的厚度，而增加膜层厚度较实用的方法之一就是增加墨水中溶质颗粒的含量。

　　试验验证：即在其他条件都相同的情况下，用喷墨打印的方法把不同银颗粒含量的导电银浆印在承印物上得到墨层。则膜层厚度H，单位为微米，随银颗粒含量ψ的变化情况如下图3：

　　图3：H和ψ的关系图

　　Fig.3: The relationship diagram of H and ψ

　　由上面的图形可知，基本上符合膜层厚度的公式。但是值得注意的是，当溶质颗粒的含量增加到一定程度时，其印刷所需要的电特性将不再增加，超过一定值时，便会影响印刷物的电特性。这是因为当油墨颗粒含量越高时，其粘度也高，油墨的流动性也就越差，便导致膜层的均匀性差，粗糙度增加。

　　由于RFID标签天线线圈在整个导线范围内对均匀性的要求都很高，借此用不同银颗粒含量的导电银浆做了大量实验。结果发现在其他条件一定的情况下，选定合适的银颗粒含量的油墨印刷出的导线膜层均匀、电阻较低，能满足无源RFID标签的工作要求。鉴于不同品牌的导电油墨具有不同的聚合物溶剂体系及不同的金属微粒形貌特征，为了得到高质量的RFID标签天线，印刷时，首先必须根据该品牌导电油墨的流变特性，确定该品牌导电油墨金属微粒的最佳填充量，从而保证天线墨膜的最佳印刷品质。

 1/2    1 2 下一页 尾页