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“纤维芯片”来了!复旦大学科研团队在高分子纤维内实现大规模集成电路
2026-02-21 14:03:21



过去几十年,纤维器件相继被赋予发电、复旦储能、大学电路显示、科研感知等功能,团队它们可以被编织成柔软、高分规模透气的纤维现智能终端,推动信息、内实能源、集成医疗等重要领域革命性发展,纤维芯片深刻改变人们生活方式。复旦但长期以来,大学电路纤维系统一直依赖连接硬质块状芯片,科研这与其柔软、团队可适应复杂变形等应用要求存在根本矛盾,高分规模成为整个领域面临的一个重要挑战。

复旦大学彭慧胜/陈培宁团队突破传统芯片集成电路硅基研究范式,率先通过设计多层旋叠架构,在弹性高分子纤维内实现了大规模集成电路(简称“纤维芯片”)。“纤维芯片”信息处理能力与典型商业芯片相当,且具有高度柔软、适应拉伸扭曲等复杂形变、可编织等独特优势,有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业变革发展提供关键支撑。北京时间(今天)1月22日凌晨,上述成果于发表于《自然》(Nature)主刊。

如何在纤维上实现高效信息处理功能,但又不影响纤维器件柔软、适应复杂形变、可编织等本征特性?此前,复旦团队率先提出“纤维器件”概念,通过长期攻关,已创建出具有发电、储能、发光、显示、生物传感等功能的30多种新型纤维器件,相关成果7次发表在Nature上,获授权国内外发明专利120多项。

在持续深耕研究过程中,团队意识到,与智能手机、计算机等各类电子设备的发展路径相似,要实现纤维器件的大规模应用,必须要将不同功能的纤维器件集成在一起,形成纤维电子系统,并赋予其信息交互功能。同时,又要克服硬质块状芯片电路的弊病。于是,“纤维芯片”新概念应运而生。

芯片具有高效的信息处理能力,是现代电子技术的基石。芯片的信息处理功能依赖于大量微型电子元件(如晶体管、电容、电阻等)高度互连所形成的集成电路。纵观过去芯片的发展历程,普遍依赖硅基衬底所支撑的光刻制造技术。

团队大胆设想,是不是有可能在柔软、弹性的高分子纤维内实现高密度集成电路?其挑战非常大,无先例可循。首先面临的一个挑战是,与目前集成电路所用的硅基平面衬底不同,纤维受限于其固有的曲面结构和有限的表面积(每厘米长度纤维仅0.01-0.1平方厘米),很难集成足够数量的电子元件,以实现高效信息处理能力。

团队跳出“仅利用纤维表面”的惯性思维,提出多层旋叠架构的设计思想,即在纤维内部构建多层集成电路,形成螺旋式旋叠结构,从而最大化地利用纤维内部空间。基于实验结果推算,即便按照目前实验室级1微米的光刻精度,长度为1毫米的“纤维芯片”可集成1万个晶体管,其信息处理能力可与植入式起搏器芯片相当;若“纤维芯片”长度扩展至1米,其集成晶体管数量有望提升至百万级别,这一集成数量将超过经典计算机中央处理器(例如英特尔386TM SL)的晶体管集成水平。



“纤维芯片”概念图

尽管有了路线图,“纤维芯片”的制备过程仍然面临重重挑战。比如,半导体、金属导电通路等,很难承受纤维拉伸、扭曲等复杂变形中所引起的局部应变集中,极易引发电路结构脆裂和性能快速失效。

团队通过5年攻关,探索出了系统解决方案,发展出可在弹性高分子上直接进行光刻高密度集成电路的制备路线。关键策略包括:(1)针对弹性高分子表面不平整的问题,采用等离子刻蚀方法,对弹性高分子表明进行平整化处理,将其粗糙度降至1纳米以下,有效满足商业光刻要求,目前光刻精度达到了实验室级光刻机的最高水平;(2)在弹性衬底上设计一层致密的聚对二甲苯纳米膜层,该膜层不仅可以有效抵御光刻过程中各种溶剂侵蚀,还可以与弹性高分子衬底形成交替的“硬-软模量异质结构”,显著减小纤维复杂变形过程中的电路层应变,确保电路结构、功能稳定,从而赋予“纤维芯片”优异的服役稳定性。

值得一提的是,团队所发展的制备方法,与目前芯片产业中的成熟光刻制造工艺高效兼容,通过研制原型装置,设计标准化制备流程,初步实现了“纤维芯片”的规模制备。

现已所制备的“纤维芯片”中,电子元件(如晶体管)集成密度达10万个/厘米,通过晶体管高效互连,可实现数字、模拟电路运算等功能,如异或门、与非门、或非门等基础逻辑门电路,锁存器等时序逻辑电路,以及与典型心脏起搏器芯片相当的电脉冲调制功能。该“纤维芯片”架构和制备方法还具有普适性,比如,可以集成有机电化学晶体管,可完成神经运算任务。

相比于传统芯片,“纤维芯片”还具有优异的柔性,可耐受弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变,如承受1毫米半径弯曲、30%拉伸形变、180°/厘米扭转等变形,甚至在经过水洗、高低温、卡车碾压后,仍能保持性能稳定。

“纤维芯片”的问世将带来无限的可能性。比如,在虚拟现实领域,目前触觉接口高度依赖块状硬质信号处理模块,导致与皮肤柔性表面贴合度不足,难以实现精准细致的信号采集与输出,在远程医疗机器人手术等精细操作场景中局限性尤为突出。基于“纤维芯片”所构建的智能触觉手套,兼具高柔性与透气性,与普通织物无异,可集成高密度传感与刺激阵列,精准模拟不同物体的力学触感,适用于远程手术组织硬度感知、虚拟道具交互等场景,有望极大提升用户与虚拟环境的交互体验。又如,借助“纤维芯片”内置的有源驱动电路,可在织物中实现动态像素显示。

团队表示,未来围绕“纤维芯片”研究,还有很多工作要做。团队在规模化制备和应用方面,团队已建立了自主知识产权体系,期待与产业界加强合作,推动实现更广领域高质量应用,为我国集成电路产业自立自强贡献力量。

原标题:《“纤维芯片”来了!复旦大学科研团队在高分子纤维内实现大规模集成电路》

栏目编辑:郜阳 图片来源:复旦大学

来源:作者:新民晚报 张炯强

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