RFID电子标签硅油墨印刷技术
    硅油墨印刷电子技术是一种迅速崛起的绿色环保半导体技术, 相比有机印刷电子技术, 该印刷技术具有更新的研究和商业项目支撑, 通常使用经过处理的硅纳米粒子作原料。目前这一研究领域的出版物和涉及此领域的公司较少。目前, 美国加利福尼亚州 Milpitas的 Kovio 公司是此领域的典型。但是, 我们认为, 与有机印刷标签技术相比, 在同时满足低成本标签制造和保证标签性能方面, 基于硅油墨印刷 的互补n型和p型(CMOS TFT)技术更具优势。
    Kovio 公司是一家研究硅油墨印刷电子技术的公司。该公司开发了一种硅油墨与其他辅助油墨相结合的技术, 并将这两种油墨顺序地存放在薄金属基片侧面尺寸为300~400mm的区域。油墨被印在基片上后出现硅岛, 形成的硅岛用于散开溶剂, 同时留下聚硅晶体薄膜。除了将上述硅油墨作为主要的加工原料外, Kovio公司还为栅
介质开发了一种氧化油墨, 为原n型和p型掺合剂研制了一种油墨, 同时还为连接硅并形成真正具有优良迁移免疫特性的高质量硅互联研发了一种高传导性金属油墨。低成本是印刷标签的共有优点, 硅油墨印刷标签以本身特有的优势吸引了更多的关注。
    首先, 基于硅纳米粒子的印刷晶体管的迁移率远远高于(几个数量级)印刷有机晶体管的迁移率。作为硅印刷电子领域龙头企业之一的 Kovio 公司其生产的n型产品迁移率高达200cm2/Vs, 然而有机印刷电子的迁移率约为1c㎡/Vs。喷墨印刷实现了高迁移率。分辨率和喷墨印刷处理可实现的特征尺寸是10um, 近期目标是4um。如前所述, 在室温(300K)情况下, 传统的半导体晶体硅中的电子迁移率为1350c㎡2/Vs, 空穴迁移率为480c㎡/Vs。显然, 目前的硅油墨迁移率不能与单晶油墨迁移率相比, 但具有较大的提升空间。重要的是, 如今80~200c㎡2/Vs 的硅油墨迁移率比目前有机印刷电子的迁移率要高。这提高了数据速率, 使得标签整流器能够在13. 56MHz下高效工作, 并且从内部标签电路时钟中获得同步时钟。尽管在当前的设备特征尺寸和相关的寄生电容条件下, 利用特高频段的印刷硅TFT进行整流是可行的, 但效率很低。硅油墨迁移率比单晶迁移率低, 这是因为, 即使硅油喷墨使用激光聚合技术来形成n型和p型材料, 但仍然是多晶材料。
      通过硅油墨技术生产的晶体管是激光再结晶的非晶硅, 通常用于通道顶部的栅极(“顶部栅极”技术)。该技术通过源极和漏极与栅极紧密相连, 从而降低了叠加电容, 使得生产与nMOS晶体管一样好的pMOS晶体管成为可能。多晶硅比非结晶硅的电子迁移率高, 并且多晶硅较低的门限电压使其能够在低电源电压下稳定工作。
其次, 与有机材料相比, 硅油墨原料对大气的敏感性较差, 因此硅油墨印刷标签具有很好的环境和电性能稳定性。

     第三, 由于高温激光退火和存放的喷墨或丝网印刷硅油墨的聚合作用会产生大量的热量, 故硅油墨印刷电子技术使用的基片是金属薄片。目前, 硅油墨印刷电子
技术中用于制作小面积PIC基片的金属薄片(通常为不锈钢)的价格比有机印刷电子技术中使用的塑料薄膜基片的价格低得多。源自石油工业的聚合物薄膜的成本与全球石油商品价格息息相关。硅油墨设备和电子电路能够方便地被装配在卷轴和 
     Kovio 公司调整了研发策略, 将其研究重心放在TFT设备性能而非低温加工方面。其方法是对印刷后的原料进行高温处理, 这样仍可以使用柔韧的基片进行工
作。基片必须为金属薄片, 而非塑料薄片。虽然硅油墨技术具有众多益处, 但与有机晶体管技术一样, 同样存在晶体管数量受限的缺点, 因此, 该技术仍然会影响并限制协议的复杂性。对现今的印刷晶体管标签电路而言, 集成晶体管的个数约为2000, 这是一个较为合理的上限值。这是对麻省理工学院的 Auto-ID中心最初的概念-一简约结构的回归。“简约结构”是指IC简单, 但足以满足协议需求, 当然这种需求是由适量的晶体管实现的。由于当时人们的研究重点是传统的单晶集成电路, 几乎没有人预料到即将到来的全印刷 CMOS 半导体革命, 所以此时EPC技术和产品研发方向被放弃毫无疑问这种情形将使该产业重新回到简易的 RFID标签。在终端用户和技术开发商提出能够实现当时无法预料的低成本印刷半导体技术的可行规范方案之前, 麻省理工学院Auto-ID中心已对其进行关注。一补早半孢卦合
      目前, 基于硅油墨的标签存储空间是基于简单掩模可编程ROM或者是基于OTP/WORM的。印刷 EEPROM 存储单元相关的外部设备电路会增加额外的开销, 但是其耐用性和充足的数据保存时间为未来印刷标签产品指明发展方向。

     硅油墨印刷技术适宜实现高频标签, 也可用于特高频标签。但这两种标签并不是在任何地方都具有传统单晶远距离特高频标签的可读距离。其中有以下三个
原因:
1)在特高频段上具有高效率的整流器(射频输人到直流输出的转换), 但还不能在高产量的印刷半导体设备上进行商业使用。
2)由于印刷晶体管的门限电压存在显著差异, 所以基于硅油墨印刷的 TFT电路所需的工作电压约是现今单晶集成电路所需电压的2~3倍。
3)较大的寄生电容导致较高的电路功耗。

      上述限制意味着硅印刷能够制造特高频标签, 但与现有的特高频产品相比, 其标签的可读范围很小。硅油墨技术能够很好地应用于短距离接近、非接触或厘米级范围内的特高频标签应用读取, 此类特高频标签便能满足商业运作对低成本的需求。另一方面, 未来硅印刷同近场特高频标签系统竞争还需要一些时间。这是因为真正的特高频近场标签密闭体积内包含较高的局部化磁场强度/功率密度, 能量密度将有助于克服整流效率较差、较高的工作电压和电源需求。然而, 这种预想需要实验来验证。
     将硅印刷标签产品用于短距离应用并不悲观, 因为较小的空间体积限制了该空间内的标签物理数量, 因此在很大程度上缓解了防碰撞需求, 并释放了一些简单的协议(Kovio公司和iPico公司研制的配置 Tag Talks Only 协议的单晶对应物, 也称TTO 协议)。同时, 以上列举的特质也缩短了 Kovio 公司的高频标签可读距离, 相对于单晶高频标签而言, 它远不及特高频标签。因此印刷TFT 标签被视为更具竞争力的高频产品。
     通过比较有机印刷电子技术和硅油墨印刷电子技术, 可以得出以下结论:硅油墨印刷标签的价格低廉, 高性能 CMOS TFT电路支持全同步高频协议、数据传输率
高。因此, 与有机印刷电子技术相比, 在众多应用中硅油墨印刷标签更有可能取代传统标签。硅油墨印刷技术生产出的晶体管能够快速实现高性能的 RFID标签。目前我们还没有发现其他推动技术发展的高性能半导体。