我国科学家成功研制纤维芯片 在柔性高分子材料内实现大规模集成电路制备

问题:在传统电子制造体系中,芯片通常依托刚性硅片等基底进行加工,适用于高精度、高可靠的计算与控制需求,但在可穿戴、软体机器人、智能织物等场景中,刚性器件难以与“可弯折、可拉伸、可贴合”的材料形态长期协同工作。

如何让电子系统像纤维一样柔软、可织、可穿,同时具备一定的计算与信号处理能力,是柔性电子和智能纺织交叉领域长期关注的技术瓶颈。

过去不少研究更多在纤维表面进行功能涂覆或器件构建,易受面积与结构限制,也难以在有限尺寸内实现更高集成度与复杂电路功能。

原因:造成上述难题的关键在于“结构空间”和“工艺兼容”两方面。

一方面,纤维直径有限,若只利用表面,电路可用面积受限、互连复杂度提高,难以实现大规模集成;另一方面,芯片制造常用的光刻等工艺对材料平整度、热稳定性、力学稳定性要求较高,而弹性高分子纤维柔软易形变,与传统微纳制造流程存在天然不匹配。

要在纤维中构建高密度器件,既要突破“只在表面做文章”的思维惯性,也要形成适用于弹性材料的制造路线,兼顾器件精度、互连效率与整体柔软性。

影响:据复旦大学介绍,彭慧胜、陈培宁团队提出多层旋叠架构,在纤维内部构建多层集成电路,并形成螺旋式旋叠结构,以此提升空间利用效率。

基于该设计,团队进一步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,推动“纤维芯片”从概念设想走向可实施的工程化路径。

团队已在实验室初步实现规模制备,芯片中电子元件(如晶体管)集成密度达到10万个/厘米,并通过晶体管与其他元件的高效互连实现数字、模拟电路运算等功能。

这意味着纤维不再只是承载传感或导电的“材料”,而可能成为具备信息处理与系统集成能力的“平台”,为智能织物、连续健康监测、分布式感知网络等应用提供新的器件形态选择。

纤维电子领域专家指出,该路线在赋予纤维信息处理能力的同时保持柔软特性,不仅为纤维电子系统集成开辟新路径,也可能为集成电路形态创新带来启发。

对策:从科研到应用仍需系统化推进。

一是加强基础机理与可靠性评估,围绕纤维在弯折、拉伸、汗液与洗涤等复杂环境下的性能稳定性开展标准化测试,明确寿命边界与失效模式;二是推动工艺链条完善,在材料制备、光刻加工、层间互连、封装保护等环节形成可复现、可放大的流程,并探索与现有微电子制造体系的接口方案;三是面向需求牵引布局场景验证,优先在医疗健康、运动监测、工业安全等具备明确痛点且可规模化验证的领域开展试点;四是协同产业生态建设,促进材料、装备、纺织与电子企业的跨界合作,推动制定术语体系、测试方法与应用规范,降低技术走向产业的转换成本。

前景:随着新型显示、可穿戴设备、智能制造等产业持续发展,电子系统向柔性化、可织化、分布式演进的趋势更加明确。

此次“纤维芯片”在结构设计与制备路线上的突破,为“把计算嵌入纤维、把系统织进织物”提供了可参考的技术范式。

未来若能在更高集成度、更低功耗、更强可靠性以及更低成本方面持续迭代,并在传感、通信、能量管理等功能模块上实现体系化集成,纤维有望从单一器件载体升级为可规模部署的柔性电子系统单元。

同时,成果发表于《自然》也表明该方向具有较强的国际学术影响力,有助于提升我国在柔性电子与新型集成电路形态探索方面的话语权与原创能力。

从实验室的微观结构突破到产业化的宏阔前景,纤维芯片技术的诞生生动诠释了"基础研究-技术攻关-产业应用"的创新链条。

在全球化竞争日益聚焦核心技术的今天,我国科研工作者以原创性思维打破技术天花板,不仅为电子信息产业开辟新赛道,更彰显了科技自立自强的中国智慧。

这一突破如何催生下一代智能穿戴革命,值得持续关注。