长期以来,柔性电子与可穿戴设备的发展被一个核心矛盾制约:终端形态可以更轻、更薄、更贴合人体,但承担运算、存储与控制功能的芯片却大多依赖硬质硅基载体。
柔性基底与硬质芯片之间的“力学不匹配”,使设备在弯折、拉伸、扭转等使用场景中易出现性能波动乃至失效,成为“智能穿在身上”从概念走向普及的关键瓶颈之一。
针对这一问题,复旦大学彭慧胜、陈培宁团队将突破点放在“改变芯片的存在形态”上:不再只把电路做在平整硅片上再进行封装与贴合,而是尝试将高密度集成电路直接“长”进一根弹性纤维之中。
团队提出的“多层旋叠架构”,本质上是在一维纤维的受限空间内,通过多层电路结构的螺旋式组织与堆叠,实现对纤维内部体积的高效利用,从而在细小截面里形成高集成度电路单元。
这一思路为柔性电子提供了新的工程化方向:芯片不再只是硬块元件,而可成为具备可编织、可缝合、可贴附特性的“结构材料”。
然而,把高精度电路搬进柔软纤维,并非简单缩小尺寸即可完成。
弹性高分子材料在加工过程中的形变、表面起伏与化学稳定性,都会放大微纳制造的不确定性。
尤其在光刻等高精度工艺中,基底的微小粗糙度差异都可能造成线路偏差;同时,光刻流程中常用的极性溶剂也可能侵蚀弹性材料,引发结构损伤。
换言之,在“软”材料上完成“硬”工艺,既是材料科学问题,也是制造工艺问题。
为破解“软基底+精密电路”的矛盾,团队构建了一条与现有芯片制造流程有效衔接的制备路线。
在前端处理上,通过等离子体刻蚀等手段将弹性高分子表面加工至满足高精度光刻所需的低粗糙度水平,为后续微纳图形转移提供稳定基础。
在电路保护与应变管理方面,团队在基底表面沉积致密的聚对二甲苯膜层,为电路层提供化学隔离与力学缓冲:一方面减少溶剂对弹性基底的影响,另一方面在弯折与拉伸时分散应力,降低电路层的局部应变集中,提升反复变形后的结构与性能稳定性。
由此,纤维芯片不仅实现“做得出来”,也朝着“用得住、用得久”迈出关键一步。
从影响看,这项进展至少带来三方面启示。
其一,它为柔性电子从“组件柔性”走向“核心器件柔性”提供了新方案,有望降低柔性系统中刚性部件占比,提升整体可靠性与舒适度。
其二,纤维形态本身具备天然的制造与应用优势:可编织、可缠绕、可融入纺织结构,为衣物、护具、绷带等载体引入计算与感知能力创造了更自然的接口。
其三,工艺路线强调与现有光刻体系兼容,这一点对于成果走出实验室尤为关键。
产业化往往取决于能否利用成熟设备与供应链进行放大生产;兼容性越高,从小试到量产的路径越清晰,落地的不确定性就越低。
面向下一步发展,柔性芯片要进入更广泛应用仍需跨越多重关口:一是进一步提升集成度、功耗与长期稳定性,满足复杂场景下的运算与存储需求;二是建立纤维芯片的测试、封装、互连与标准化体系,解决纤维之间以及纤维与传统电子部件的可靠连接;三是围绕安全与隐私的应用边界形成明确规范,特别是在健康监测等近身应用领域,数据合规与使用伦理同样重要。
与此同时,如何在成本、良率与一致性之间取得平衡,将决定其从示范应用走向规模普及的速度。
从"中国制造"到"中国智造",复旦大学这项原创性突破不仅填补了国际柔性电子技术空白,更展现了我国在交叉学科领域的创新实力。
当科技竞争日益聚焦基础研究与核心技术的今天,这种"从0到1"的原始创新,正是建设科技强国最需要的硬核力量。
未来随着产学研协同推进,这项技术或将成为中国在新一轮科技革命中的重要竞争优势。