世界首款纤维芯片问世！复旦大学开年顶刊

据复旦大学公众号介绍，今天凌晨，国际顶级学术期刊《自然》主刊发表了复旦大学彭慧胜/陈培宁团队的最新研究成果《基于多层旋叠架构的纤维集成电路》，团队成功在柔软的高分子纤维内制造出大规模集成电路，创造出世界首款“纤维芯片”。有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业提供强有力的技术支撑。

据介绍，传统芯片的光刻工艺普遍依赖平整的硅晶圆衬底，而纤维不仅具有曲面结构，表面积极小，用于制备纤维器件的弹性高分子基底，也很难耐受光刻过程中的各类极性溶剂。

同时还要保证在拉伸、扭转等变形中保持电路稳定。

复旦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路，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。

经过近五年时间，团队先后攻克了高分子表面平整化、耐溶剂侵蚀、形变下电路稳定等多个技术难题，最终成功制备出具有信息处理功能的“纤维芯片”。

这款“纤维芯片”不仅保持了纤维柔软、可编织的本征特性，更实现了电阻、电容、二极管、晶体管等电子元件的高精度互连，光刻精度达到了实验室级光刻机最高水平。这意味着，基于“纤维芯片”，未来可将发光、传感等模块直接集成在一根纤维上，形成无需外接设备的全闭环系统，甚至实现自供能。

“在弹性高分子上做高密度集成电路，好比在坑坑洼洼的软泥地上盖高楼，还要让高楼经得起拉伸扭曲。”回忆研发历程，陈培宁道出了两大核心挑战。

首先是表面平整度。传统硅基芯片的衬底粗糙度非常低，而常用弹性高分子的表面粗糙度一般在几十纳米，微观上极度凹凸不平。团队尝试了多种方法，最终通过等离子刻蚀技术，成功将弹性高分子表面粗糙度降至1纳米以下，“相当于把软泥地打磨平整，为盖楼打下了地基。”

其次是溶剂侵蚀和结构稳定。光刻过程中使用的多种极性溶剂会让弹性高分子材料发生溶胀变形，导致前期制备的平整表面功亏一篑。经过多种尝试，团队最终锁定了一类叫做聚对二甲苯的高分子材料，通过沉积工艺，它可以在弹性衬底表面形成致密膜层，形成“硬-软异质结构”，不仅有效抵御溶剂侵蚀，还能减小电路层应变，确保结构稳定，如同给电路层穿上了“防护衣”。

“我们的制备方法可以与现有光刻工艺兼容，有望高效对接产业。”陈培宁介绍，团队通过研制原型装置，建立了标准化制备路线，初步实现“纤维芯片”的实验室级规模化制备。制备出的“纤维芯片”可承受1毫米半径弯曲、20%拉伸形变，水洗、卡车碾压后性能依然稳定。

这款“纤维芯片”的问世，正逐步打破柔性电子领域长期存在的“功能集成难、环境适应性差”的瓶颈。

面对这一柔性电子领域的难题，研究团队创新性地采用常见的热塑性薄膜为基底，此材料遇热收缩，可紧密包裹物体。为解决普通金属在收缩中易断裂的问题，团队又研制出具有高导电性和良好流动性的半液态金属材料，通过自主打印技术在平面薄膜上“绘制”出电路。通过该技术，平面电路在约70摄氏度的温水或热风处理后，无论是圆润的苹果、飞机的机翼，还是灵活的手指，都能按照预先设计的“变形蓝图”快速自适应贴合。在具身智能领域，研究团队依靠此项技术已成功为机器人手臂、头部定制了贴合触觉传感器阵列，让机器人拥有了灵敏的“电子皮肤”。他们还开发了集成压力与温度传感器的“智能手套”，让机器人可以通过“摸一摸”来识别物体。