“纖維芯片”來了！復旦大學科研團隊在高分子纖維內實現大規模集成電路

過去幾十年，纖維器件相繼被賦予發電、儲能、顯示、感知等功能，它們可以被編織成柔軟、透氣的智能終端，推動信息、能源、醫療等重要領域革命性發展，深刻改變人們生活方式。但長期以來，纖維系統一直依賴連接硬質塊狀芯片，這與其柔軟、可適應復雜變形等應用要求存在根本矛盾，成為整個領域面臨的一個重要挑戰。

復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊突破傳統芯片集成電路硅基研究范式，率先通過設計多層旋疊架構，在彈性高分子纖維內實現了大規模集成電路（簡稱“纖維芯片”）?！袄w維芯片”信息處理能力與典型商業芯片相當，且具有高度柔軟、適應拉伸扭曲等復雜形變、可編織等獨特優勢，有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業變革發展提供關鍵支撐。北京時間（今天）1月22日凌晨，上述成果于發表于《自然》（Nature）主刊。

如何在纖維上實現高效信息處理功能，但又不影響纖維器件柔軟、適應復雜形變、可編織等本征特性？此前，復旦團隊率先提出“纖維器件”概念，通過長期攻關，已創建出具有發電、儲能、發光、顯示、生物傳感等功能的30多種新型纖維器件，相關成果7次發表在Nature上，獲授權國內外發明專利120多項。

在持續深耕研究過程中，團隊意識到，與智能手機、計算機等各類電子設備的發展路徑相似，要實現纖維器件的大規模應用，必須要將不同功能的纖維器件集成在一起，形成纖維電子系統，并賦予其信息交互功能。同時，又要克服硬質塊狀芯片電路的弊病。于是，“纖維芯片”新概念應運而生。

芯片具有高效的信息處理能力，是現代電子技術的基石。芯片的信息處理功能依賴于大量微型電子元件（如晶體管、電容、電阻等）高度互連所形成的集成電路?？v觀過去芯片的發展歷程，普遍依賴硅基襯底所支撐的光刻制造技術。

團隊大膽設想，是不是有可能在柔軟、彈性的高分子纖維內實現高密度集成電路？其挑戰非常大，無先例可循。首先面臨的一個挑戰是，與目前集成電路所用的硅基平面襯底不同，纖維受限于其固有的曲面結構和有限的表面積（每厘米長度纖維僅0.01-0.1平方厘米），很難集成足夠數量的電子元件，以實現高效信息處理能力。

團隊跳出“僅利用纖維表面”的慣性思維，提出多層旋疊架構的設計思想，即在纖維內部構建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結構，從而最大化地利用纖維內部空間。基于實驗結果推算，即便按照目前實驗室級1微米的光刻精度，長度為1毫米的“纖維芯片”可集成1萬個晶體管，其信息處理能力可與植入式起搏器芯片相當；若“纖維芯片”長度擴展至1米，其集成晶體管數量有望提升至百萬級別，這一集成數量將超過經典計算機中央處理器（例如英特爾386TM SL）的晶體管集成水平。

“纖維芯片”概念圖

盡管有了路線圖，“纖維芯片”的制備過程仍然面臨重重挑戰。比如，半導體、金屬導電通路等，很難承受纖維拉伸、扭曲等復雜變形中所引起的局部應變集中，極易引發電路結構脆裂和性能快速失效。

團隊通過5年攻關，探索出了系統解決方案，發展出可在彈性高分子上直接進行光刻高密度集成電路的制備路線。關鍵策略包括：（1）針對彈性高分子表面不平整的問題，采用等離子刻蝕方法，對彈性高分子表明進行平整化處理，將其粗糙度降至1納米以下，有效滿足商業光刻要求，目前光刻精度達到了實驗室級光刻機的最高水平；（2）在彈性襯底上設計一層致密的聚對二甲苯納米膜層，該膜層不僅可以有效抵御光刻過程中各種溶劑侵蝕，還可以與彈性高分子襯底形成交替的“硬-軟模量異質結構”，顯著減小纖維復雜變形過程中的電路層應變，確保電路結構、功能穩定，從而賦予“纖維芯片”優異的服役穩定性。

值得一提的是，團隊所發展的制備方法，與目前芯片產業中的成熟光刻制造工藝高效兼容，通過研制原型裝置，設計標準化制備流程，初步實現了“纖維芯片”的規模制備。

現已所制備的“纖維芯片”中，電子元件（如晶體管）集成密度達10萬個/厘米，通過晶體管高效互連，可實現數字、模擬電路運算等功能，如異或門、與非門、或非門等基礎邏輯門電路，鎖存器等時序邏輯電路，以及與典型心臟起搏器芯片相當的電脈沖調制功能。該“纖維芯片”架構和制備方法還具有普適性，比如，可以集成有機電化學晶體管，可完成神經運算任務。

相比于傳統芯片，“纖維芯片”還具有優異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復雜形變，如承受1毫米半徑彎曲、30%拉伸形變、180°/厘米扭轉等變形，甚至在經過水洗、高低溫、卡車碾壓后，仍能保持性能穩定。

“纖維芯片”的問世將帶來無限的可能性。比如，在虛擬現實領域，目前觸覺接口高度依賴塊狀硬質信號處理模塊，導致與皮膚柔性表面貼合度不足，難以實現精準細致的信號采集與輸出，在遠程醫療機器人手術等精細操作場景中局限性尤為突出。基于“纖維芯片”所構建的智能觸覺手套，兼具高柔性與透氣性，與普通織物無異，可集成高密度傳感與刺激陣列，精準模擬不同物體的力學觸感，適用于遠程手術組織硬度感知、虛擬道具交互等場景，有望極大提升用戶與虛擬環境的交互體驗。又如，借助“纖維芯片”內置的有源驅動電路，可在織物中實現動態像素顯示。

團隊表示，未來圍繞“纖維芯片”研究，還有很多工作要做。團隊在規模化制備和應用方面，團隊已建立了自主知識產權體系，期待與產業界加強合作，推動實現更廣領域高質量應用，為我國集成電路產業自立自強貢獻力量。

原標題：《“纖維芯片”來了！復旦大學科研團隊在高分子纖維內實現大規模集成電路》

欄目編輯：郜陽 圖片來源：復旦大學

來源：作者：新民晚報 張炯強