全球首款“纖維芯片”問(wèn)世！復(fù)旦大學(xué)研究成果登《自然》主刊

1月22日凌晨，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）主刊發(fā)表了一項(xiàng)來(lái)自中國(guó)復(fù)旦大學(xué)的重大科研突破——彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)成功在柔軟的高分子纖維內(nèi)制造出大規(guī)模集成電路，研發(fā)出全球首款“纖維芯片”。

這一成果標(biāo)志著芯片技術(shù)首次從“硬質(zhì)塊體”邁向“柔軟纖維”，為未來(lái)智能織物、腦機(jī)接口、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興產(chǎn)業(yè)提供了全新的技術(shù)支撐。

成卷的“纖維芯片”。復(fù)旦大學(xué)供圖，下同

纖維芯片的誕生

傳統(tǒng)芯片的制造主要依賴于平整穩(wěn)定的硅片，通過(guò)光刻工藝構(gòu)建高密度集成電路，是硬質(zhì)、片狀的。

然而，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)卻另辟蹊徑，提出了一種全新的“多層旋疊架構(gòu)”設(shè)計(jì)思路。這一設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于“卷壽司”，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。

“纖維芯片”概念圖

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，纖維不僅具有曲面結(jié)構(gòu)，表面積極小，而且用于制備纖維器件的彈性高分子基底很難耐受光刻過(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。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)近五年的攻關(guān)，成功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，最終實(shí)現(xiàn)了每厘米10萬(wàn)個(gè)晶體管的集成密度。

纖維芯片的優(yōu)勢(shì)

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。其光刻精度達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室級(jí)光刻機(jī)的最高水平，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。

柔軟的“纖維芯片”甚至可以打結(jié)

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?/span>

“纖維芯片”顯示多層旋疊架構(gòu)的三維重構(gòu)熒光標(biāo)記照片

“纖維芯片”及其內(nèi)部局部電路光學(xué)照片

此外，“纖維芯片”還具有優(yōu)異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復(fù)雜形變，如承受1毫米半徑彎曲、20%拉伸形變、180°/厘米扭轉(zhuǎn)等變形，甚至在經(jīng)過(guò)水洗、高低溫、卡車碾壓后，仍能保持性能穩(wěn)定。

或成新興產(chǎn)業(yè)的變革者

“纖維芯片”的問(wèn)世，為多個(gè)新興產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了變革性的發(fā)展機(jī)遇。

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，而基于“纖維芯片”，可在直徑低至50微米的超細(xì)纖維上，集成高密度傳感-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。

在腦機(jī)接口領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖和纖維系統(tǒng)實(shí)物光學(xué)照片

在電子織物方面，纖維芯片能讓普通衣物變身“交互屏”。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，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。

在單根纖維上實(shí)現(xiàn)多功能一體化集成的示意圖和實(shí)物照片

在單根纖維上實(shí)現(xiàn)觸控顯示的信息交互功能

在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，纖維芯片同樣大有可為。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。而基于“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，提升人機(jī)交互體驗(yàn)。

“纖維芯片”虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)用示意圖和實(shí)物圖

產(chǎn)業(yè)化之路

復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院的陳培寧教授表示，纖維芯片的制備方法可與目前芯片產(chǎn)業(yè)中成熟的光刻制造工藝有效兼容，這為其從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化制備和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前，團(tuán)隊(duì)已通過(guò)研制原型裝置、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化制備流程，初步實(shí)現(xiàn)了“纖維芯片”的實(shí)驗(yàn)室級(jí)規(guī)模化制備。

團(tuán)隊(duì)合影

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。陳培寧教授表示：“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。”