复旦大学突破硅基芯片范式 "纤维芯片"实现柔性集成电路革新

问题:在可穿戴设备、智慧医疗与沉浸式交互等需求牵引下,电子系统正从“硬、平、脆”向“软、立体、可贴合”演进。

然而,传统硅基芯片虽具高性能,却难以在拉伸、扭曲、反复弯折等条件下稳定工作;现有柔性电子多停留在传感与显示等单一功能层面,信息处理往往依赖外置处理器,导致系统厚重、互连复杂、可靠性受限。

如何把计算与交互能力“嵌入”柔性载体内部,成为柔性电子规模化应用的核心瓶颈。

原因:上述瓶颈既有材料与结构层面的制约,也有工艺路径的限制。

一方面,纤维形态具备天然的可编织、可贴合优势,但传统思路多在纤维表面做功能涂覆或器件附着,空间利用受限、器件密度难以提升,且互连线路在形变下容易失效。

另一方面,高密度集成电路高度依赖成熟光刻与精密制程,而柔性高分子基底在尺寸稳定性、热与溶剂耐受性等方面与硅片存在显著差异,导致“把芯片做在纤维里”长期停留在概念或低集成度原型阶段。

影响:据介绍,复旦大学彭慧胜、陈培宁团队通过设计多层旋叠架构,将集成电路从“面”拓展为“体”,在弹性高分子纤维内部实现大规模集成电路,形成“纤维芯片”。

其电子元件集成密度达到每厘米10万个量级,并可通过晶体管互连实现数字、模拟电路运算等功能,信息处理能力达到典型商业芯片同等水平。

更值得关注的是,该类“纤维芯片”表现出显著的环境与形变鲁棒性:在弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变条件下仍可稳定工作,并能经受水洗与高低温等考验,在极端情形下仍保持性能稳定。

这意味着未来柔性电子有望从“感知端”走向“系统端”,在织物、皮肤、器官等复杂界面上实现更高层级的实时处理与交互。

对策:柔性电子要走向产业化,关键在于工艺可复制、流程可标准化、成本可控制。

团队在多年纤维器件研究基础上,进一步给出一条面向制造的路线:在弹性高分子上直接开展光刻制备高密度集成电路,并强调该方法与现有芯片产业成熟光刻工艺具备高效兼容性。

通过研制原型装置、设计标准化制备流程,已初步实现“纤维芯片”的规模制备。

这一表述释放出重要信号——柔性器件不应仅追求实验室展示,更需要与工业体系“对接”,在工艺窗口、良率一致性、封装互连、可靠性评估等方面形成可落地的工程化方案。

与此同时,相关架构与制备方法还具有普适性,可进一步集成有机电化学晶体管等器件以完成类神经运算任务,为面向生物信号处理的计算形态提供新的技术选项。

前景:面向应用端,“纤维芯片”可能带来三方面增量。

其一,在脑机接口与神经科学方向,纤维形态与柔软特性更利于与生物组织匹配,有望在信号采集、局部处理与长期稳定性方面提供新工具,为脑神经疾病的诊断与治疗探索提供硬件支撑。

其二,在电子织物方向,若计算能力能够直接“织入”纤维,未来或可在不外接处理器的情况下构建柔软、透气、可清洗的全柔性电子系统,推动智能服装从“可穿戴外设”升级为“可穿戴平台”。

其三,在虚拟现实与人机交互方向,基于“纤维芯片”的触觉手套等可穿戴终端,有望提升触觉反馈的实时性与细腻度,在远程操作、医疗训练等场景拓展交互边界。

综合来看,这一成果不仅是器件形态的创新,更是在柔性载体上实现“算力下沉”的路径探索,可能推动柔性电子与集成电路、纺织制造、医疗器械等产业链的协同创新。

从单点器件到系统集成,中国科学家在柔性电子领域的这一里程碑式进展,不仅展现了基础研究与工程转化的高效协同,更标志着我国在新一代信息技术关键赛道已构筑起自主可控的技术壁垒。

当坚硬的芯片变得如织物般柔软,这场由材料革命引发的产业变革,或将重新定义人机交互的终极形态。