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中国科学家把芯片做成"头发丝",织进衣服里
中国科学家把芯片做成"头发丝",织进衣服里中国科学家把芯片做成"头发丝",织进衣服里
基于纤维芯片，研究团队在一根没有头发丝粗的纤维上实现了供电、传感、显示、信号处理等功能的一体化集成，为纤维系统开辟了全新集成路径。
此外，与传统硬质芯片相比，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，甚至在经过上百次水洗、置于100摄氏度高温环境、卡车碾轧后，仍能保持性能稳定。
“纤维芯片架构和制备方法具有普适性。比如，可集成有机电化学晶体管，完成神经运算任务。”陈培宁补充说。
在“空白”上绘制新路径
对团队来说，研制纤维芯片的最困难之处在于，已有经验可能是“弯路”，必须跳出现有体系的思维定式，寻找一条新路径。
一方面，以往纤维电子器件集成的方法不再适用。长期以来，纤维系统普遍依赖连接硬质芯片电路，不仅系统内电路连接复杂、不稳定，而且与纤维柔性、透气性、轻量化、穿戴舒适性等应用要求存在根本矛盾。
另一方面，产业广泛应用的硅基衬底加工工艺无法直接“套用”于柔软、有弹性的高分子纤维材料。“我们尝试了很多晶体管和材料体系，这些体系在不同文献中都有报道，却唯独在我们的基底上做不出来。”王臻回忆道。
经过一次次试错、一次次头脑风暴，一些“卡点”问题逐渐浮现。纤维表面积有限、弹性高分子表面在微观尺度上极不平整、光刻过程中用到多种极性溶剂易腐蚀弹性高分子、电路层难以承受纤维复杂变形引起的应变集中……
“纤维芯片”多层旋叠架构的三维重构荧光标记照片。
找到问题后，团队一一破解：改用纤维内部空间，提出多层旋叠架构的设计思想，即构建多层集成电路，形成螺旋式旋叠结构；采用等离子刻蚀方法，对弹性高分子表面进行平整化处理，将其粗糙度降至1纳米以下；在弹性衬底上设计一层致密的聚对二甲苯膜层，在有效抵御溶剂侵蚀的同时，与弹性高分子衬底形成“硬-软模量异质结构”，减小纤维复杂变形过程中的电路层应变……
“我刚接触课题时，对集成电路或芯片没什么概念，几乎是一片空白。”陈珂说，“空白带来的好处可能是，不受集成电路领域一些根深蒂固想法的影响，敢‘打开脑洞’，尝试以往没试过的方法。”
为新兴领域变革发展提供有力支撑
值得一提的是，纤维芯片的制备方法，可与目前芯片产业中成熟的光刻制造工艺有效兼容，有望降低后续产业化落地的难度。目前，研究团队已经通过研制原型装置、设计标准化制备流程，初步验证了纤维芯片规模制备的可行性。
“基于纤维芯片的集成方法，使纤维系统摆脱了对外部信息处理设备的依赖，有望在一些新兴领域产生独特应用。”陈培宁说。
在脑机接口领域，利用纤维芯片技术，有望在一根头发丝粗细的纤维内，集成“传感—信号处理—刺激输出”闭环功能系统，为脑科学和脑神经疾病诊断与治疗提供新工具。团队初步验证，在直径50微米的超细纤维上，可同时集成几种纤维器件，包括高密度传感-刺激电极阵列与信号预处理电路。该系统具有与脑组织相当的柔性和良好的生物安全性，采集的神经信号的信噪比与商用外部信号预处理设备相当。
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好新闻没人评论怎么行，我来说几句
此外，与传统硬质芯片相比，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，甚至在经过上百次水洗、置于100摄氏度高温环境、卡车碾轧后，仍能保持性能稳定。
“纤维芯片架构和制备方法具有普适性。比如，可集成有机电化学晶体管，完成神经运算任务。”陈培宁补充说。
在“空白”上绘制新路径
对团队来说，研制纤维芯片的最困难之处在于，已有经验可能是“弯路”，必须跳出现有体系的思维定式，寻找一条新路径。
一方面，以往纤维电子器件集成的方法不再适用。长期以来，纤维系统普遍依赖连接硬质芯片电路，不仅系统内电路连接复杂、不稳定，而且与纤维柔性、透气性、轻量化、穿戴舒适性等应用要求存在根本矛盾。
另一方面，产业广泛应用的硅基衬底加工工艺无法直接“套用”于柔软、有弹性的高分子纤维材料。“我们尝试了很多晶体管和材料体系，这些体系在不同文献中都有报道，却唯独在我们的基底上做不出来。”王臻回忆道。
经过一次次试错、一次次头脑风暴，一些“卡点”问题逐渐浮现。纤维表面积有限、弹性高分子表面在微观尺度上极不平整、光刻过程中用到多种极性溶剂易腐蚀弹性高分子、电路层难以承受纤维复杂变形引起的应变集中……
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值得一提的是，纤维芯片的制备方法，可与目前芯片产业中成熟的光刻制造工艺有效兼容，有望降低后续产业化落地的难度。目前，研究团队已经通过研制原型装置、设计标准化制备流程，初步验证了纤维芯片规模制备的可行性。
“基于纤维芯片的集成方法，使纤维系统摆脱了对外部信息处理设备的依赖，有望在一些新兴领域产生独特应用。”陈培宁说。
在脑机接口领域，利用纤维芯片技术，有望在一根头发丝粗细的纤维内，集成“传感—信号处理—刺激输出”闭环功能系统，为脑科学和脑神经疾病诊断与治疗提供新工具。团队初步验证，在直径50微米的超细纤维上，可同时集成几种纤维器件，包括高密度传感-刺激电极阵列与信号预处理电路。该系统具有与脑组织相当的柔性和良好的生物安全性，采集的神经信号的信噪比与商用外部信号预处理设备相当。
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