纤维芯片：把大规模集成电路装进“头发丝”

说起芯片，人们脑海中一般会浮现科技感十足的片状结构。

能否把它做成柔软的纤维状结构？“我们在大约10年前萌生了这个想法，觉得很有趣，就开始做了。”中国科学院院士、复旦大学教授彭慧胜说。

纤维芯片结构示意图。研究团队供图

经过多年攻关，彭慧胜和复旦大学教授陈培宁领衔的科研团队利用自主设计的多层旋叠架构，在弹性高分子纤维内实现了大规模集成电路。为便于理解，团队给它取了个别名“纤维芯片”。1月22日，这项跳出以往集成电路框架的研究成果发表于《自然》。

“有趣”之余，纤维芯片也很有用。它既有良好的信息处理能力，又有高度柔软、适应拉伸扭曲等复杂形变、可编织等独特优势，有望为发展脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业提供有力支撑。

引领纤维器件领域

纤维器件是我国具有领先优势的领域之一，并引发国际学术界和产业界关注。而提出这一概念的，正是彭慧胜团队。

自2008年成功研制“纤维变色器件”以来，彭慧胜团队在纤维器件领域持续深耕，迄今已创建出30多种具有发电、储能、发光、显示、生物传感等功能的新型纤维器件。其中，发光纤维器件、纤维锂离子电池、显示织物3项研究成果及相关技术，已初步实现转化应用。

在攻关纤维器件的过程中，团队逐渐意识到，要想让纤维器件走向大众、实现大规模应用，必须将不同功能的纤维器件集成，形成纤维电子系统，并赋予信息交互功能。这一路径与智能手机、计算机等各类电子设备的发展历程相似，其中，具有信息处理功能的芯片是核心部件，也是当前该领域的“无人区”。

2015年，团队开始布局相关研究，也取得了一些阶段性成果，但离真正实现芯片功能仍相去甚远。

2020年，新一轮尝试开启。随着复旦大学博士后施翔，博士研究生王臻、陈珂等人的陆续加入，一支着眼于“解决难题”的团队凝聚起来。此后5年，团队一边苦练基本功，一边同复旦大学校内集成电路、生物医学工程等团队合作，在学科交叉处寻求突破点。

功夫不负有心人，团队最终啃下了纤维芯片这块“硬骨头”，发展出在柔软的纤维里构建高密度集成电路的方法，并基于此制备出纤维芯片。

纤维芯片的电子元件（如晶体管）集成密度达10万个/厘米，通过晶体管与电阻、电容等元件的高效互连，可实现数字、模拟电路运算等功能，以及与典型医疗植入芯片相当的电脉冲调制功能。

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……

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。

电子织物被认为是可穿戴设备的终极发展形态，其核心挑战在于如何实现全柔性的织物系统。有了纤维芯片，无需外接处理器，就可以直接编织构建柔软、透气的全柔性电子织物系统。“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。未来，或许一件衣服就能实现电脑和手机的交互功能。”陈培宁说。

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。采用纤维芯片的智能触觉手套，兼具高柔性与透气性，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。

不过，研究团队强调，纤维芯片并不是为了替代传统硅基集成电路，而是希望能借助其优势为集成电路发展提供新的思考和路径。

“围绕纤维芯片，未来还有很多工作要做。”陈培宁表示，团队将继续加强与不同学科的合作，进一步提升器件集成密度，提升信息处理性能，满足更复杂应用场景的需求。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，希望能与上下游产业界协同，实现更高质量应用。