问题——“软载体”难以承载“硬核心”,制约可穿戴走向深度融合。
近年来,可穿戴设备、电子织物、柔性传感与植入式器件加速发展,但长期存在的瓶颈在于:人体皮肤、衣物纤维具有柔软、可形变特性,而承担信息处理与控制功能的芯片多为硬质硅基器件。
由此带来两方面现实难题:一是智能织物、贴肤设备往往需要外挂硬质模块,影响舒适性与安全性;二是在弯折、拉伸、扭曲等日常形变环境中,电子系统的可靠性与寿命难以兼顾。
如何把信息处理能力“做进纤维里”,成为柔性电子领域的重要方向。
原因——传统硅基路线在形态与工艺上存在天然边界。
过去提升算力主要依托硅片上高密度晶体管集成,沿制程迭代推动产业变革。
然而当应用场景转向衣物、皮肤乃至体内组织,硬质芯片的形态与封装方式就会显得笨重,且难以匹配连续形变需求。
更关键的是,传统光刻工艺依赖平整稳定的晶圆衬底,而弹性高分子纤维在微观上存在粗糙起伏,且易受溶剂影响发生溶胀与变形,导致在纤维上直接构建高密度电路难度极高。
长期以来,纤维电子多围绕纤维表面进行简单器件构建,系统级、集成级的信息处理能力难以突破。
影响——纤维芯片将信息处理器“从硬片变软线”,为系统级织物智能提供新路径。
该团队提出让芯片形态从“硬片”转为“软线”的思路,探索在柔软弹性的高分子纤维内部制造大规模集成电路。
研究通过“多层旋叠架构”在纤维内部构建多层集成电路并形成螺旋立体结构,以最大化利用纤维内部空间,为在细径纤维中容纳大量晶体管提供结构基础。
研究人员基于该架构预测,在实验室级光刻精度条件下,一米长度纤维芯片的晶体管集成数量有望达到百万量级,显示出向更高密度集成演进的潜力。
对策——以“材料—工艺—结构”协同破解“软基底光刻”难题,兼顾柔性与稳定。
为解决“在软泥地上盖高楼”的工艺挑战,团队历时5年建立可在弹性高分子材料上直接光刻高密度集成电路的制备路线:一方面采用等离子刻蚀降低纤维表面粗糙度,使其满足光刻所需的平整度;另一方面在纤维基底上沉积致密聚对二甲苯纳米薄膜,形成兼具抗溶剂侵蚀与力学缓冲作用的保护层,并与弹性基底构成“软—硬交替”的异质结构,以分散形变应力、提升器件在弯曲拉伸等情况下的稳定性。
研究显示,该纤维芯片在弯曲、拉伸甚至受外力碾压等情形下仍可保持性能稳定,并在纤维中实现每厘米10万个晶体管的高密度集成,通过与电阻、电容等元件的互联可实现数字与模拟运算功能。
值得关注的是,该制备方法强调与现有主流光刻工艺兼容,并已具备成卷制备、可规模化的工艺基础,为从实验室走向产业化降低了门槛。
前景——从“嵌入式智能”走向“织入式智能”,但仍需跨越系统集成与应用验证关口。
业内普遍认为,电子织物的关键不止于传感,更在于本地处理、低功耗互联与长期可靠性。
纤维芯片若能与纤维传感、供能与通信单元协同集成,有望形成更轻量、更贴合、更可维护的智能织物系统:在健康监测领域,可实现对生理信号的分布式采集与就地处理,减少外置硬件依赖;在虚拟现实与人机交互领域,可增强织物对动作与触觉的实时响应;在脑机接口等前沿方向,柔性形态带来的力学匹配优势有望改善佩戴或植入舒适性,并为更高密度、更大面积的信号采集与处理提供可能。
与此同时,从科研突破迈向工程化应用仍面临若干现实课题:包括大规模一致性与良率、纤维间互连与封装方案、洗涤与汗液等复杂环境下的长期稳定性、功耗与散热控制、以及与现有纺织制造流程的兼容度等。
围绕标准体系、可靠性评价方法与产业协同的配套建设,将决定其落地速度与应用边界。
纤维芯片的问世标志着芯片技术发展进入了一个新的阶段。
从硅基到纤维基、从硬质到柔软、从平面到立体,这一系列转变不仅是材料和工艺的创新,更是对芯片本质功能的重新定义。
这项成果充分体现了基础研究与应用需求的深度融合,展现了我国在微电子领域的自主创新能力。
随着纤维芯片技术的进一步完善和产业化推进,智能织物、柔性电子等新兴产业有望迎来快速发展,为人类生活方式和产业格局带来深刻变革。