【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】你能否想象未來(lái)的衣服能直接播放視頻，手套能精準(zhǔn)模擬觸感，甚至一根細(xì)如發(fā)絲的纖維就能完成腦電信號(hào)的探測(cè)與處理？復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室、聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭慧勝、陳培寧團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)芯片硅基研究范式，率先提出并制備“纖維芯片”，在彈性的高分子纖維內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路，成功將供電、傳感、顯示、信號(hào)處理等多功能集成于一根纖維之內(nèi)，為纖維電子系統(tǒng)開(kāi)辟全新的集成路徑。
該成果于北京時(shí)間1月22日凌晨以《基于多層旋疊架構(gòu)的纖維集成電路》(“Fibre integrated circuits by multilayered spiral architecture”)為題發(fā)表于《自然》(Nature)期刊，有望為腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
從單一器件到高密度集成電路，開(kāi)辟“纖維芯片”新賽道
從蠶絲、金屬導(dǎo)線再到通信光纖，纖維材料的每一次進(jìn)步，都推動(dòng)著人類文明的變革。纖維電子器件，因其在信息、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，一直備受學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。
“傳統(tǒng)芯片是硬質(zhì)、片狀的，能不能把它做成柔軟的纖維？我們覺(jué)得這個(gè)想法很有趣。”彭慧勝介紹。早在十多年前，團(tuán)隊(duì)就關(guān)注到可穿戴設(shè)備的巨大潛力，持續(xù)探索纖維器件的各種可能。
從纖維太陽(yáng)能電池、纖維鋰電池起步，彭慧勝團(tuán)隊(duì)十幾年來(lái)逐步拓展出包括發(fā)光、顯示、儲(chǔ)能、生物傳感等在內(nèi)的30多種功能纖維器件，相關(guān)成果7次登上《自然》(Nature)主刊，部分技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品落地并在汽車(chē)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
隨著研究深入，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題浮現(xiàn)出來(lái)：就像手機(jī)、電腦離不開(kāi)芯片，將不同功能纖維器件形成完整的系統(tǒng)，具備信息交互功能，也必須有自己的“大腦”——一個(gè)能夠處理信息的核心芯片。然而長(zhǎng)期以來(lái)，纖維系統(tǒng)的集成普遍依賴連接硬質(zhì)芯片電路板，這與纖維本身柔軟、透氣、可編織的特點(diǎn)格格不入。
“帶硬質(zhì)電路板的纖維系統(tǒng)，穿戴舒適性差、連接不穩(wěn)定、體內(nèi)植入安全性風(fēng)險(xiǎn)大，這讓我們意識(shí)到，必須把信息處理模塊也做成纖維形態(tài)。”陳培寧說(shuō)。帶著這樣的想法，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了“纖維芯片”的概念，從2020年起，在研發(fā)織物顯示器件的同時(shí)，同步啟動(dòng)“纖維芯片”的攻關(guān)。
“芯片的信息處理能力依賴于高度互連的復(fù)雜電路，要在彈性高分子纖維里實(shí)現(xiàn)，極具挑戰(zhàn)。”陳培寧解釋。傳統(tǒng)芯片的光刻工藝普遍依賴平整的硅晶圓襯底，而纖維不僅具有曲面結(jié)構(gòu)，表面積極小，用于制備纖維器件的彈性高分子基底，也很難耐受光刻過(guò)程中的各類極性溶劑，同時(shí)還要保證在拉伸、扭轉(zhuǎn)等變形中保持電路穩(wěn)定。
研究一度陷入僵局，直到一次靈感閃現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)跳出“僅利用纖維表面”的慣性思維，提出多層旋疊架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，即在纖維內(nèi)部構(gòu)建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結(jié)構(gòu)，從而最大化地利用纖維內(nèi)部空間。“我們借鑒‘卷壽司’的方法，先在彈性高分子表面完成高精度微納加工，再把它‘卷’成纖維形態(tài)，形成多層旋疊架構(gòu)。”論文共同一作、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室博士研究生王臻形容道。
經(jīng)過(guò)近五年摸索、幾代學(xué)生接力攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)先后攻克了高分子表面平整化、耐溶劑侵蝕、形變下電路穩(wěn)定等多個(gè)技術(shù)難題，最終成功制備出具有信息處理功能的“纖維芯片”。
這款“纖維芯片”不僅保持了纖維柔軟、可編織的本征特性，更實(shí)現(xiàn)了電阻、電容、二極管、晶體管等電子元件的高精度互連，光刻精度達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室級(jí)光刻機(jī)最高水平。這意味著，基于“纖維芯片”，未來(lái)可將發(fā)光、傳感等模塊直接集成在一根纖維上，形成無(wú)需外接設(shè)備的全閉環(huán)系統(tǒng)，甚至實(shí)現(xiàn)自供能。
在柔軟纖維里“蓋高樓”，實(shí)現(xiàn)晶體管高密度集成
“在彈性高分子上做高密度集成電路，好比在坑坑洼洼的軟泥地上蓋高樓，還要讓高樓經(jīng)得起拉伸扭曲。”回憶研發(fā)歷程，陳培寧道出了兩大核心挑戰(zhàn)。
首先是表面平整度。傳統(tǒng)硅基芯片的襯底粗糙度非常低，而常用彈性高分子的表面粗糙度一般在幾十納米，微觀上極度凹凸不平。團(tuán)隊(duì)嘗試了多種方法，最終通過(guò)等離子刻蝕技術(shù)，成功將彈性高分子表面粗糙度降至1納米以下，“相當(dāng)于把軟泥地打磨平整，為蓋樓打下了地基。”
其次是溶劑侵蝕和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。光刻過(guò)程中使用的多種極性溶劑會(huì)讓彈性高分子材料發(fā)生溶脹變形，導(dǎo)致前期制備的平整表面功虧一簣。經(jīng)過(guò)多種嘗試，團(tuán)隊(duì)最終鎖定了一類叫做聚對(duì)二甲苯的高分子材料，通過(guò)沉積工藝，它可以在彈性襯底表面形成致密膜層，形成“硬-軟異質(zhì)結(jié)構(gòu)”，不僅有效抵御溶劑侵蝕，還能減小電路層應(yīng)變，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，如同給電路層穿上了“防護(hù)衣”。
“我們的制備方法可以與現(xiàn)有光刻工藝兼容，有望高效對(duì)接產(chǎn)業(yè)。”陳培寧介紹，團(tuán)隊(duì)通過(guò)研制原型裝置，建立了標(biāo)準(zhǔn)化制備路線，初步實(shí)現(xiàn)“纖維芯片”的實(shí)驗(yàn)室級(jí)規(guī)模化制備。制備出的“纖維芯片”可承受1毫米半徑彎曲、20%拉伸形變，水洗、卡車(chē)碾壓后性能依然穩(wěn)定。
通過(guò)晶體管與電容、電阻等電子元件高效互連，“纖維芯片”可實(shí)現(xiàn)數(shù)字、模擬電路運(yùn)算等功能，集成有機(jī)電化學(xué)晶體管后，還可完成神經(jīng)計(jì)算任務(wù)。
實(shí)驗(yàn)推算顯示，按照目前實(shí)驗(yàn)室級(jí)1微米的光刻加工精度，長(zhǎng)度為1毫米的“纖維芯片”可集成數(shù)萬(wàn)個(gè)晶體管，其信息處理能力可與一些醫(yī)療植入式芯片相當(dāng)。若“纖維芯片”長(zhǎng)度擴(kuò)展至1米，其集成晶體管數(shù)量有望提升至百萬(wàn)級(jí)別，達(dá)到與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中央處理器相當(dāng)?shù)募伤健?br />
這項(xiàng)技術(shù)突破融合了多學(xué)科智慧，得到了復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)創(chuàng)新學(xué)院、電鏡中心及附屬中山醫(yī)院等多個(gè)團(tuán)隊(duì)的支持。
腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)，柔性“芯纖”未來(lái)可期
“一根頭發(fā)絲粗細(xì)的纖維，就能集成傳感、處理、刺激反饋等閉環(huán)功能，這在過(guò)去是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。”陳培寧表示，這項(xiàng)研究成果有望為腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域變革發(fā)展提供有力支撐。
在腦機(jī)接口領(lǐng)域，“纖維芯片”有望破解傳統(tǒng)設(shè)備瓶頸，為腦科學(xué)研究和腦神經(jīng)疾病治療提供新的工具。目前，腦機(jī)接口的神經(jīng)探針需連接外部信號(hào)處理模塊，基于“纖維芯片”，可在直徑低至50微米的超細(xì)纖維上，集成1024通道/厘米的高密度傳感—刺激電極陣列與信號(hào)預(yù)處理電路，其柔性與腦組織相當(dāng)，生物相容性良好，采集的神經(jīng)信號(hào)信噪比達(dá)7.5dB，與商用設(shè)備持平。“通過(guò)持續(xù)攻關(guān)，有望在一根纖維內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的閉環(huán)功能。”陳培寧說(shuō)。
在電子織物方面，“纖維芯片”能讓普通衣物變身“交互屏”。“過(guò)去的織物顯示只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的圖案，要做動(dòng)態(tài)視頻、觸控交互，沒(méi)有信息處理模塊是不行的。”論文共同一作、高分子科學(xué)系博士研究生陳珂介紹，借助“纖維芯片”的有源驅(qū)動(dòng)電路，單根纖維可集成高密度像素點(diǎn)陣列。這意味著，人們今后或許無(wú)需掏出手機(jī)，袖口就能顯示導(dǎo)航；運(yùn)動(dòng)時(shí)，衣服可實(shí)時(shí)顯示生理健康數(shù)據(jù)、甚至播放視頻。
在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，“纖維芯片”也能發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)觸覺(jué)交互手套依賴硬質(zhì)傳感器和芯片，難以緊密貼合皮膚，在遠(yuǎn)程手術(shù)等精細(xì)操作中存在局限。基于“纖維芯片”的智能觸覺(jué)手套兼具全柔性與透氣性，可集成高密度傳感與刺激陣列，更精準(zhǔn)模擬不同物體的力學(xué)觸感。
“醫(yī)生戴著它做遠(yuǎn)程手術(shù)，能清晰感知臟器硬度；游戲玩家佩戴時(shí)，能逼真觸摸虛擬道具，就像擁有了‘第二皮膚’。”王臻解釋道。目前，團(tuán)隊(duì)正與附屬中山醫(yī)院科研團(tuán)隊(duì)合作，探索將“纖維芯片“技術(shù)應(yīng)用到心血管介入器械中，有望輔助醫(yī)生更精準(zhǔn)地完成手術(shù)。
展望未來(lái)，團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步加強(qiáng)跨學(xué)科協(xié)作與產(chǎn)業(yè)合作，通過(guò)材料與工藝的優(yōu)化，提升芯片良率和集成度，推動(dòng)“纖維芯片”在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量應(yīng)用。“長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們希望有一天，基于‘纖維芯片’的電子織物，能像手機(jī)、電腦一樣進(jìn)行高效的信息交互。”陳培寧說(shuō)。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委等項(xiàng)目支持。復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室、聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授彭慧勝、陳培寧為本論文通訊作者，博士研究生王臻、陳珂和博士后施翔為共同第一作者。
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