喷墨打印技术应用于天线材料制造

如上所述，打印天线的材料对打印出的薄膜的电阻有很大影响，进而影响RFID标签的范围。通常在天线的应用中，多种级别的可打印的材料被用到，包括金属粘合剂、颗粒墨水和前驱体有机金属墨水。19.2.4.1 金属粘合剂

金属粘合剂是打印天线使用最广泛的可印制粘合剂材料，是从已经被使用了很多年的PCB工业中演变而来的^[22-25]。金属粘合剂通常由金属薄片（通常是银）、一种聚合粘合剂材料和合适的溶剂组成（见图19.8）。溶剂使得粘合剂可被打印。聚合粘合剂用于保持粘合剂的稳定以及调整墨水的黏性。金属粘合剂提供了墨水的导电元素。通过调整薄片和粘合剂材料的相对浓度，可以使墨水的黏性与合适的打印技术相协调的同时具有较好的导电性。导电性由金属薄片的线路提供，粘合剂在任意一条打印线路上的两点间提供持续的导电路径。粘合剂的存在（粘合剂最好导电性很差，甚至绝缘）降低了联合薄膜的导电性；通常银粘合剂薄膜导电性小于银块的10%，这由粘合剂和银粘合剂的浓度决定。这种关系导致了几个重要的结果。首先，金属粘合剂墨水的导电性有上限，通常与相应的块材金属相比小很多。第二，对于给定所需的黏性（决定了粘合剂的浓度），导电性有具体的限度。通常粘合剂增加导电性降低，因此，含大量粘合剂的高黏度的墨水导电性较差。这意味着适用于屏幕喷涂的墨水通常导电性较差。

图19.8 典型的金属粘合剂示意图

19.2.4.2 粒子基墨水

近些年来，大量材料被研发用于生产直径小于100nm的超小粒子。这些粒子常被称为“纳米粒子”。这种粒子的优点在于它们在胶体中很稳定，可以被加入墨水。因此可以在溶剂中加入高浓度的纳米粒子，并添加粘合剂调整黏度。当纳米粒子直径减小到100nm以下时，会产生一种物理效应。由于粒子粒径减小，粒子表面积比增大（表面积正比于r²，体积正比于r³）。结果使得电路性质更加依赖于粒子的表面性质而不是块体的性质。通常表面原子的结合能比块体材料内粒子的结合能小。当粒径小于10nm时，很多金属纳米粒子表现出熔点急剧下降^{[1，26，27]}。例如，当金纳米粒子直径达到2nm时，在100℃左右会熔化，而金块材在1000℃左右才会熔化（见图19.9）。这种材料熔点降低对导电性影响很大。用这种小粒子构成的薄膜可以在很低的温度中退火，使得粒子结合并且熔化在一起。这使得粒子间联系更好，与粒子仅仅是挨在一起相比，这还可以使纳米粒子的薄膜可以获得与块体材料相近的导电性。目前有达到块体材料30%～70%电导率的纳米粒子材料已经被报导^[17，26]。

当纳米粒子薄膜在整个印制电子行业获得了极大的关注的同时，应注意到这种材料在天线结构中应用的缺点。由于基体移动，原来薄膜上的碳的含量会增加，导致薄膜厚度增加^[17]。这种变化使得薄膜的电阻降低（见图19.10）。纳米粒子导体对于UHF应用极具吸引力（需要很薄的天线结构），但在HF中的应用仍面临巨大挑战，需要更厚的膜来获得低电阻。

图19.9 金属纳米颗粒熔点的粒径效应

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图19.10 导电性作为一个函数，随着喷涂层厚度增加而降低；基体中的扩散在高温条件下更快，导致了一种相关效应

19.2.4.3 有机金属前驱体

有机金属前驱体是一种化学混合物，包括金属元素同多种有机作用基化学结合。通过合适的设计，可以生产一种在低温时断裂和挥发的分子。通过加热，分子中的有机元素从金属中分离和蒸发，留下金属膜（见图19.11）。

近年来，有很多关于有机金属前驱体应用于金属跟踪^[28]的报道。存在几个影响这些材料可在天线形成中使用方式的问题。由于实际的有机金属前驱体的碎片体积非常小（通常只有很小的百分比），最终烧结后的有机金属前驱体薄膜不是孔洞非常多就是需要强力压缩。所以有机金属前驱体通常不适合用于厚的金属薄膜，如天线产品。这种材料在薄的膜中的应用很好，所以这些年，有机金属前驱体同电镀技术被联合运用于生产高品质天线膜^[1]。这个流程中，一个薄膜层通过有机金属前驱体被打印出来，之后被镀层（通常不是电镀，虽然电镀在几何上是可能的），产出具有合适的导电性的厚膜，被应用于天线制造（见图19.12）。

图19.11 简单的前驱体有机金属的化学转移，用于形成金属薄膜

图19.12 生产前驱体有机金属的流程以及之后的镀层流程