有机RFID: 可以印刷的电子标签

降低标签成本10倍

自世界头号零售商沃尔玛宣布大范围使用RFID和美国军方宣布军需物品均使用RFID标签来进行识别与跟踪以来，近年RFID技术开始在全球范围内掀起阵阵高潮，吸引了众多知名企业参与相关芯片及技术的研究和开发。

目前RFID技术正处于迅速上升的时期，被业界公认为是本世纪十大技术之一，RFID商品标签也被认为将是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一。但RFID标签的高成本却制约着这一技术的普及（RFID标签的成本大约在每枚0.2美元以上）。为了解决这个关键问题，RFID标签设计及制作工作一直在寻找新的途径。近年来国外已经开始有机RFID标签技术的研究，并且已经取得了很大的成就。采用有机薄膜晶体管(OTFT)能够使IC电路制备在便宜的塑料基底上，进行取代硅芯片的方案，最后通过印刷方式进行批量生产。据估计，这种有机RFID标签的成本将有望降至0.01～0.02美元甚至更低。作为一个低成本的选择方案，有机RFID将在世界范围内开辟一个新的市场，与硅片RFID技术相互补充来满足市场的需求。

可印刷的RFID

有机RFID技术其基本原理同半导体RFID一样，是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对识别物体的自动识别。系统一般由两部分组成，即有机RFID标签（应答器）和阅读器（读头）。在实际应用中，有机电子标签附着在被识别的物体上，当带有有机电子标签的被识别物品通过其可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式将有机电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或自动收集物品标志信息的功能。有机RFID技术除了具有半导体RFID技术的优点以外，还具有便宜、厚度可以非常薄等特点，可以制成柔性电子标签，使用时可以随意粘贴，不受软硬度及厚度等限制，将来可以广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、军事物流等众多领域。

有机RFID标签

有机RFID作为一种新事物，是有机半导体和RFID技术相结合的产物。有机RFID标签的工作原理、结构、功能及频谱划分等与无机RFID相比并没有太大的区别，二者主要的区别在于材料和加工工艺的不同。无机RFID标签的芯片部分需要通过复杂及昂贵的IC工艺在硅片上制备出来，然后再与天线部分集成在一起构成完整的标签。而有机RFID标签则力图全部通过印刷技术，用金属和有机物墨水把天线和芯片直接制备在同一衬底上，因为采用了印刷电子技术，有机薄膜晶体管能够使电路制备在便宜的塑料基底上，通过卷对卷（R2R）印刷技术批量生产有机RFID标签，这样制作工艺将得到简化，成本也将大大地降低。据Nature Materials Commentary杂志报导，全有机的RFID标签成本将降至每枚0.01～0.02美元。如果有机RFID技术成熟的话，Nature期刊所设想的一种产品可能将大量进入市场: 这种产品将显示部件、传感部件和RFID标签集中于一种商品上。这样对每件商品，消费者可以直接知道其保鲜度、颜色、温度等有关质量信息。

有机RFID标签的结构在组成上与无机RFID标签并无多大差异。RFID标签主要由天线、整流器、IC芯片及负载调节器部分组成。读写器将要发送的信息，经编码后载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器， 最后阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理。因此有机RFID技术的发展还将得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括: 有机半导体技术、芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播技术等。

RFID标签按其发射方式可分为反射式和发射式两种。反射式（通常为无源标签所采用）将阅读器发射的高频信号经过标签内产生的识别信号调制后，形成的已调信号反射发送到阅读器中。阅读器将接收到已调信号，并解调出识别信号进行识别。发射式（通常为有源标签采用）射频卡内有高频载波发生电路，该电路产生高频载波，并被卡内产生的识别信号调制，调制后的已调信号发送到阅读器中。

美国的3M公司早在2003年就采用并五苯(Pentacene)等高性能的导电材料制作了储存信息量为1位，频率为125KHz的并五苯RFID标签。电路部分几乎全部采用有机薄膜晶体管制作而成。有机射频卡电路是属于反射式的，7环振荡器和或非门构成识别信号发生电路，产生振荡脉冲识别信号，调制阅读器发出的高频信号，并反射给阅读器，阅读器接收到已调信号，并解调出识别信号进行识别。有机RFID应答器的电路部分包括脉冲识别信号产生电路、缓冲放大电路及射频信号调制电路。

储存信息量大的有机RFID标签则需要加入储存电路部分。在这方面德国PolyIC已经做出了惊人的成果。成功开发出32和64字节内存的有机RFID产品，除天线部分外，调制电路、储存电路和逻辑控制电路等内部电路均使用有机材料，集成了数百上千个有机薄膜晶体管。###NextPage###

有机薄膜晶体管

有机薄膜晶体管物理特性的提高导致采用有机薄膜晶体管代替无机薄膜晶体管（主要采用硅制造）作为大规模集成电路中的主要部件，是导致有机RFID的诞生及带动有机RFID迅速发展的主要关键技术之一。

有机薄膜晶体管的诞生

过去十多年来，具有光电特性的有机导电分子，以及高分子材料研发中有许多突破性的进展。这些具有光电性质的有机材料，不论是小分子、聚合物或是高分子聚合物，往往可以吸收、发射可见光及光电性质，进而催生出不同的应用，其中最重要的包括有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，简称OLED）、有机薄膜晶体管（Organic Thin Film Transistors，简称OTFT）。有机薄膜晶体管从广义上来说是将传统无机晶体管中的半导体层，用有机材料来取代，并进一步以有机导体与塑料基板来取代无机导体和玻璃基板，完成可挠曲的有机薄膜晶体管。

在传统的MOS组件制造上，一般是利用无机半导体材料硅作为主要材料。一般而言，硅是一种三度空间的共价键结构，强大的键能使得硅原子间形成紧密的三度空间聚集结构，具有宽阔的价带和导带，从而具有相当高的载流子迁移率。但是这种晶粒排列需要高温、高成本的沉积方式来完成。

在有机半导体方面，包含小分子和高分子，从化学结构的观点来看，都含有非定域(delocalize)的π共轭电子; 且由其最高已占分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO)及最低未占分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO)的差距，可定义其为半导体或导体。在形成半导体层时，分子多以集团方式存在，分子与分子间仅以微弱的凡得华力相联系，所以有机物的电特性，主要是由分子本身的结构来决定。因此，如果分子间排列不够完整，有机物的载流子传输就受限于分子间的传导，而非分子本身共轭结构的完整性，也因为分子间的键结合力小，相较于无机晶体，有机物的价带与导带就显得相对狭窄; 有机分子载流子迁移率，其值可能偏小一些。但自从Koezuka等在1986年报道了基于电化学聚合的聚唾吩OFET（OTFT）器件，一般被认为是真正意义上的可应用于有机电子电路的基本单元器件，同时也被看做是第一次有关OFET器件的报道，从那时到现在短短的二十几年时间里，有机薄膜晶体管的研究取得了巨大的进展，其可以应用于集成电路中有机薄膜晶体管的迁移率已经提高到5cm2/Vs，远远大于非晶硅的迁移率（大约1cm2/Vs）。

有机薄膜晶体管拥有传统无机薄膜晶体管不可比拟的优点: 有机材料可利用溶液进行大面积旋涂、打印，降低制作的成本。相对于无机材料，有机材料可以在较低温的条件下制作， 因此可选择耐热性较差的塑料基板，以制造质轻、具韧性、可挠曲的电子器件。可挠基底、低成本、低温制程，使得OTFT 可以应用于低成本、大面积的软性电子产品的机会大大提升。 例如作为开关元件应用于大面积有源矩阵平板显示领域AMLCD、AMOLED以及传感器阵列,在需要柔性衬底的大规模集成电路中的应用，包括智能卡、智能价格及库存标签、无线射频识别标签、商品防盗标签以及电子条形码等。

有机薄膜晶体管的基本原理

人们通常把半导体导电能力随电场而变化的现象称为“场效应”。晶体管是一种三端子有源器件。它可以分为双极型晶体管与单极型晶体管。场效应晶体管是单极型晶体管中的一种。按载流子传输通道可分为表面场效应晶体管和体内场效应晶体管两种，前者又分为MESFET(Metal-Semiconductor FET)和MISFET / MOSFET ( Metal-Insulator-Semiconductor FET /Metal-Oxide-Semiconductor FET )，后者又称结型栅场效应晶体管(Junction-FET， JFET) 。 有机场效应晶体管是利用有机半导体作为器件的有源制备的一种MOSFET。由于有机场效应晶体管一般作为薄膜形式的器件，因此也被称为有机薄膜晶体管。

有机薄膜晶体管基本上如同MOS晶体管一样，是由一个栅极（Gate）、一个源极（Source）、一个漏极（Drain）的三端点电子组件组成。在MOS晶体管的三端点里，源极通常接地，而让整个MOS晶体管的操作，由VGS(栅极电压)与VDS(漏极电压)来主导。其中VGS(栅极电压)的大小将决定此晶体管的开关状态，VDS(漏极电压)则决定当晶体管处于“开”的状态时，流经漏极，沟道(Channel)和源极的电流大小。按照产生的导电沟道的不同有机薄膜晶体管又可以分为n型、p型和双极型。###NextPage###

研究近况及市场概况

目前世界各国都认为有机RFID市场前景巨大。至于技术的发展，目前全球都还在探索阶段。各国家、地区和机构纷纷加大研发力度，尤其各国已经有专门的公司进行相关项目的投资。比如，美国Organic ID、IBM和德国PolyIC等公司。

美国的3M公司用一种便宜的导电塑料来替代传统的硅晶体材料，这种材料名叫并五苯(Pentacene)。根据该公司公布的消息，利用并五苯作为芯片半导体材料的标签已经可以被几厘米外的读取装置识别。

OrganicID（Weyerhaeuser公司的子公司，主要生产可印刷的RFID塑料标签）计划设计制作一种高分子标签，其工作频率为13.56MHz。 2004年该公司已经申请了有关NQS模式的低性能晶体管电路设计技术方面的专利。到了2004年12月份，该公司宣称制作出了已经满足17MHz工作频率的一种有机RFID标签。

2006年，德国PolyIC GmbH & Co.KG开发出了使用印刷和卷对卷技术生产的有机无线射频识别标签，为数据保存集成了8位RFID标签，集成了数百个有机晶体管，有机晶体管使用的半导体为Poly-3-alkylthiophene（P3AT）。制作完成10个月后其特性仍未出现下降。因此，该公司认为这种无线标签能够确保1年以上的元件寿命。

2007年6月，PolyIC又开发出32位和64位存储有机RFID标签，工作频率为13.56MHz。

另外近期有机整流器方面也有较大的突破。比利时微电子研究中心（IMEC）于2006年已开发出激活无源RFID标签的有机整流二极管，该二极管的工作频率高达50 MHz。

日前韩国顺天（Sunchon）国立大学化学工程学教授Cho Kyu-jin和他的开发团队利用百分之百的有机传导材料开发出了一款芯片，这款新开发的芯片可以用来制造无线射频识别技术产品。利用喷墨打印技术，最终将生产出的无线射频识别技术产品的成本减少为十分之一，将每个识别标签的价格降至0.004美元。

美国市场研究公司NanoMarkets称，目前在印刷电子市场，RFID占的份额基本上可以忽略不计，但到2014年将增长到30％。NanoMarkets表示，2012年有机RFID市场将达到45亿美元。2015年，使用有机电路的RFID市场规模将达到116亿美元。

目前，采用有机RFID标签的应用已经在国外出现，刚刚结束的2007年德国有机电子大会(OEC-07)成功地在其大会票证上采用了印刷式有机RFID标签。标签内存为4个字节，运行频率为13.56MHz，由PolyIC提供。PolyIC称其两款印刷式有机RFID标签目前正用于一些试点项目，用量达10万个。

自从1997年第一个完全由高分子制备的有机RFID标签诞生以来，有机RFID技术已经在实验室取得巨大的进步。欧美各国宣称，有机RFID技术将很快走出实验室，进入市场，与无机RFID相媲美。目前，部分销售打印有机RFID标签的公司在国外已经开始出现。近期发展趋势虽然还是以发展无机RFID技术为主，但从长远发展看，有机RFID有可能成为将来主导各行业信息处理的关键技术之一。

应用前景广阔

面对新颖的有机RFID技术，欧美等大国一如既往地追逐及投资具有巨大市场潜力的新技术，新加坡及韩国都已明确指出要重点发展包括有机电子标签技术及应用的项目，而中国的大部分企业一直处于观望的状态，虽然目前已经开始尝试无机RFID在一些领域的应用示范，但在技术基础方面远远落后于欧美各国，加之标准待确立和产业基础薄弱，诸多因素制约着RFID技术在中国这个世界最具潜力的消费市场难以大规模运行。如果有机RFID的研究及应用方面迟迟不肯投资，在未来新崛起的有机RFID产业里又必将落后于欧美、日韩和新加坡等国。只有在快要占领市场的有机RFID技术方面尽早投入，将来才可能分得一杯羹。

链接：RFID的发展历程

RFID技术其实是继承了雷达的概念，并由此发展出的一种生机勃勃的自动识别技术。1948年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了RFID的理论基础。 20世纪中期无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。

RFID技术的发展可按10年期划分如下:

1941～1950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。

1951～1960年。早期RFID技术的探索阶段，主要是实验室实验研究。

1961～1970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

1971～1980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。

1981～1990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模的应用开始出现。

1991～1997年。RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。

1997年，第一个完全由高分子制备的有机RFID标签诞生。

2000年，RFID标准化文件出现。

2001年至今。标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、 无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。

2006年，德国PolyIC GmbH & Co.KG开发出了使用印刷和卷对卷技术生产的无线标签，为数据保存集成了8位RFID标签。

2007年6月，PolyIC又开发出32位和64位存储的有机RFID标签，工作频率13.56MHz。