RFID電子標簽硅油墨印刷技術(shù)
    硅油墨印刷電子技術(shù)是一種迅速崛起的綠色環(huán)保半導(dǎo)體技術(shù), 相比有機印刷電子技術(shù), 該印刷技術(shù)具有更新的研究和商業(yè)項目支撐, 通常使用經(jīng)過處理的硅納米粒子作原料。目前這一研究領(lǐng)域的出版物和涉及此領(lǐng)域的公司較少。目前, 美國加利福尼亞州 Milpitas的 Kovio 公司是此領(lǐng)域的典型。但是, 我們認為, 與有機印刷標簽技術(shù)相比, 在同時滿足低成本標簽制造和保證標簽性能方面, 基于硅油墨印刷 的互補n型和p型(CMOS TFT)技術(shù)更具優(yōu)勢。
    Kovio 公司是一家研究硅油墨印刷電子技術(shù)的公司。該公司開發(fā)了一種硅油墨與其他輔助油墨相結(jié)合的技術(shù), 并將這兩種油墨順序地存放在薄金屬基片側(cè)面尺寸為300~400mm的區(qū)域。油墨被印在基片上后出現(xiàn)硅島, 形成的硅島用于散開溶劑, 同時留下聚硅晶體薄膜。除了將上述硅油墨作為主要的加工原料外, Kovio公司還為柵
介質(zhì)開發(fā)了一種氧化油墨, 為原n型和p型摻合劑研制了一種油墨, 同時還為連接硅并形成真正具有優(yōu)良遷移免疫特性的高質(zhì)量硅互聯(lián)研發(fā)了一種高傳導(dǎo)性金屬油墨。低成本是印刷標簽的共有優(yōu)點, 硅油墨印刷標簽以本身特有的優(yōu)勢吸引了更多的關(guān)注。
    首先, 基于硅納米粒子的印刷晶體管的遷移率遠遠高于(幾個數(shù)量級)印刷有機晶體管的遷移率。作為硅印刷電子領(lǐng)域龍頭企業(yè)之一的 Kovio 公司其生產(chǎn)的n型產(chǎn)品遷移率高達200cm2/Vs, 然而有機印刷電子的遷移率約為1c㎡/Vs。噴墨印刷實現(xiàn)了高遷移率。分辨率和噴墨印刷處理可實現(xiàn)的特征尺寸是10um, 近期目標是4um。如前所述, 在室溫(300K)情況下, 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體硅中的電子遷移率為1350c㎡2/Vs, 空穴遷移率為480c㎡/Vs。顯然, 目前的硅油墨遷移率不能與單晶油墨遷移率相比, 但具有較大的提升空間。重要的是, 如今80~200c㎡2/Vs 的硅油墨遷移率比目前有機印刷電子的遷移率要高。這提高了數(shù)據(jù)速率, 使得標簽整流器能夠在13. 56MHz下高效工作, 并且從內(nèi)部標簽電路時鐘中獲得同步時鐘。盡管在當前的設(shè)備特征尺寸和相關(guān)的寄生電容條件下, 利用特高頻段的印刷硅TFT進行整流是可行的, 但效率很低。硅油墨遷移率比單晶遷移率低, 這是因為, 即使硅油噴墨使用激光聚合技術(shù)來形成n型和p型材料, 但仍然是多晶材料。
      通過硅油墨技術(shù)生產(chǎn)的晶體管是激光再結(jié)晶的非晶硅, 通常用于通道頂部的柵極(“頂部柵極”技術(shù))。該技術(shù)通過源極和漏極與柵極緊密相連, 從而降低了疊加電容, 使得生產(chǎn)與nMOS晶體管一樣好的pMOS晶體管成為可能。多晶硅比非結(jié)晶硅的電子遷移率高, 并且多晶硅較低的門限電壓使其能夠在低電源電壓下穩(wěn)定工作。
其次, 與有機材料相比, 硅油墨原料對大氣的敏感性較差, 因此硅油墨印刷標簽具有很好的環(huán)境和電性能穩(wěn)定性。

     第三, 由于高溫激光退火和存放的噴墨或絲網(wǎng)印刷硅油墨的聚合作用會產(chǎn)生大量的熱量, 故硅油墨印刷電子技術(shù)使用的基片是金屬薄片。目前, 硅油墨印刷電子
技術(shù)中用于制作小面積PIC基片的金屬薄片(通常為不銹鋼)的價格比有機印刷電子技術(shù)中使用的塑料薄膜基片的價格低得多。源自石油工業(yè)的聚合物薄膜的成本與全球石油商品價格息息相關(guān)。硅油墨設(shè)備和電子電路能夠方便地被裝配在卷軸和 
     Kovio 公司調(diào)整了研發(fā)策略, 將其研究重心放在TFT設(shè)備性能而非低溫加工方面。其方法是對印刷后的原料進行高溫處理, 這樣仍可以使用柔韌的基片進行工
作?；仨殲榻饘俦∑? 而非塑料薄片。雖然硅油墨技術(shù)具有眾多益處, 但與有機晶體管技術(shù)一樣, 同樣存在晶體管數(shù)量受限的缺點, 因此, 該技術(shù)仍然會影響并限制協(xié)議的復(fù)雜性。對現(xiàn)今的印刷晶體管標簽電路而言, 集成晶體管的個數(shù)約為2000, 這是一個較為合理的上限值。這是對麻省理工學(xué)院的 Auto-ID中心最初的概念-一簡約結(jié)構(gòu)的回歸?！昂喖s結(jié)構(gòu)”是指IC簡單, 但足以滿足協(xié)議需求, 當然這種需求是由適量的晶體管實現(xiàn)的。由于當時人們的研究重點是傳統(tǒng)的單晶集成電路, 幾乎沒有人預(yù)料到即將到來的全印刷 CMOS 半導(dǎo)體革命, 所以此時EPC技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)方向被放棄毫無疑問這種情形將使該產(chǎn)業(yè)重新回到簡易的 RFID標簽。在終端用戶和技術(shù)開發(fā)商提出能夠?qū)崿F(xiàn)當時無法預(yù)料的低成本印刷半導(dǎo)體技術(shù)的可行規(guī)范方案之前, 麻省理工學(xué)院Auto-ID中心已對其進行關(guān)注。一補早半孢卦合
      目前, 基于硅油墨的標簽存儲空間是基于簡單掩?？删幊蘎OM或者是基于OTP/WORM的。印刷 EEPROM 存儲單元相關(guān)的外部設(shè)備電路會增加額外的開銷, 但是其耐用性和充足的數(shù)據(jù)保存時間為未來印刷標簽產(chǎn)品指明發(fā)展方向。

     硅油墨印刷技術(shù)適宜實現(xiàn)高頻標簽, 也可用于特高頻標簽。但這兩種標簽并不是在任何地方都具有傳統(tǒng)單晶遠距離特高頻標簽的可讀距離。其中有以下三個
原因:
1)在特高頻段上具有高效率的整流器(射頻輸人到直流輸出的轉(zhuǎn)換), 但還不能在高產(chǎn)量的印刷半導(dǎo)體設(shè)備上進行商業(yè)使用。
2)由于印刷晶體管的門限電壓存在顯著差異, 所以基于硅油墨印刷的 TFT電路所需的工作電壓約是現(xiàn)今單晶集成電路所需電壓的2~3倍。
3)較大的寄生電容導(dǎo)致較高的電路功耗。

      上述限制意味著硅印刷能夠制造特高頻標簽, 但與現(xiàn)有的特高頻產(chǎn)品相比, 其標簽的可讀范圍很小。硅油墨技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于短距離接近、非接觸或厘米級范圍內(nèi)的特高頻標簽應(yīng)用讀取, 此類特高頻標簽便能滿足商業(yè)運作對低成本的需求。另一方面, 未來硅印刷同近場特高頻標簽系統(tǒng)競爭還需要一些時間。這是因為真正的特高頻近場標簽密閉體積內(nèi)包含較高的局部化磁場強度/功率密度, 能量密度將有助于克服整流效率較差、較高的工作電壓和電源需求。然而, 這種預(yù)想需要實驗來驗證。
     將硅印刷標簽產(chǎn)品用于短距離應(yīng)用并不悲觀, 因為較小的空間體積限制了該空間內(nèi)的標簽物理數(shù)量, 因此在很大程度上緩解了防碰撞需求, 并釋放了一些簡單的協(xié)議(Kovio公司和iPico公司研制的配置 Tag Talks Only 協(xié)議的單晶對應(yīng)物, 也稱TTO 協(xié)議)。同時, 以上列舉的特質(zhì)也縮短了 Kovio 公司的高頻標簽可讀距離, 相對于單晶高頻標簽而言, 它遠不及特高頻標簽。因此印刷TFT 標簽被視為更具競爭力的高頻產(chǎn)品。
     通過比較有機印刷電子技術(shù)和硅油墨印刷電子技術(shù), 可以得出以下結(jié)論:硅油墨印刷標簽的價格低廉, 高性能 CMOS TFT電路支持全同步高頻協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸率
高。因此, 與有機印刷電子技術(shù)相比, 在眾多應(yīng)用中硅油墨印刷標簽更有可能取代傳統(tǒng)標簽。硅油墨印刷技術(shù)生產(chǎn)出的晶體管能夠快速實現(xiàn)高性能的 RFID標簽。目前我們還沒有發(fā)現(xiàn)其他推動技術(shù)發(fā)展的高性能半導(dǎo)體。