“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

过去几十年，纤维器件相继被赋予发电、储能、显示、感知等功能，它们可以被编织成柔软、透气的智能终端，推动信息、能源、医疗等重要领域革命性发展，深刻改变人们生活方式。但长期以来，纤维系统一直依赖连接硬质块状芯片，这与其柔软、可适应复杂变形等应用要求存在根本矛盾，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