《Nature》子刊：新兴电子纺织平台！多个电子元件集成在微纤维

电子纤维，因其与纱线织造时织物的尺寸相容性，而被认为是理想的器件平台之一。然而，每个电子纤维之间的精确连接过程，对于配置所需的电子电路或系统是必不可少的。

在此，来自韩国全北大学的Tae-Wook Kim等研究者提出了一种集成的电子纤维平台，通过在一维微纤维基板上制造电子器件。相关论文以题为“Integration of multiple electronic components on a microfibre towards an emerging electronic textile platform”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30894-4

纤维电子技术，在可穿戴应用和智能纺织品领域具有重要意义，它们可以促进人类与环境之间的交流和互动。作为功能性纺织品的基本元素，一维(1D)形式的线状纤维，提供了高柔韧性，各向同性变形，透气性和织物结构的轻质。一维功能纤维，通过捻线、织造、缝纫、针织、打结、交织等传统纺织工程技术，可进一步加工成二维(2D)纺织形态和三维(3D)纱线形态。由于这些内在的优点，近年来，基于纤维的器件组件已经被直接集成到织物中，以实现光电功能，如健康/环境监测、显示、传感、能量收集、能量存储、电磁屏蔽和信息处理，以展示未来的服装。

现有的电子纤维平台，一般只由一种具有在纤维基板上的单一功能的电子组件组成，该功能归因于在制造过程中，在整个纤维表面的所需区域不形成图案的情况下将活性层全部包裹在整个纤维上。此外，每个电子纤维之间的精确连接过程是必要的，以配置所需的电子电路或系统到2D纺织品，同时最大限度地降低设备性能的退化。虽然这些功能光纤的组装，可以用于顺序记录、检测和读出数据，类似于传统的集成电路和2D晶圆上的多功能器件，但缩小规模的限制和电子电路配置的困难，仍然是实现实际电子光纤系统的主要障碍。

首先，大规模集成电路(LSI)产生了许多复杂的功能连接，因此，减少布线，如导电线，被认为是进一步发展的瓶颈。其次，应该通过引入专门设计的结构或工艺来增加器件的面积密度。从这个角度来看，开发能够在单一光纤上工作的紧凑和小型化的电子系统是非常必要的。为了赋予纺织品多种功能，将小型电子元件插入纤维线或纱线的方法被认为是新兴的候选方法，从而实现热拉伸数字纤维和电子纱。然而，热拉伸方法的局限性和小部件安装在灯丝上表面是低器件密度。目前还没有研究出一种具有多种电子元件和电路并保持优良电气性能的高密度电子微纤维的制备方法。

在此，研究者提出了一种电子纤维平台，使电子设备组件的大规模集成电路能够在一维纤维(定义为直径为150 μm的单丝)表面上(图1a)。通过使用高分辨率无掩模光刻与毛细管辅助涂层方法，多个小型化设备单元集成到一个非常窄和薄的纤维表面。作为一个概念证明演示，基本的电子器件(场效应晶体管、逆变器和环形振荡器)和传感器(光电探测器、信号换能器和由热电偶组成的分布式温度传感器)被制作在矩形纤维的两个不同的侧面。这种纤维晶片具有多种电子功能(单个晶体管的紫外检测和开关电信号、n型逆变器的对称输入/输出行为、5级环形振荡器的振荡特性)和热感测性能。研究者相信，该方法是实现集成电子纺织品高密度电子纤维平台的重要步骤之一。

图１ 在微纤维上组装多个电子系统。

图2 微纤维上集成晶体管、逆变器和环形振荡器。

图3 微纤维上紫外传感器的光电特性。

图4 微纤维上温度传感器的热电特性。

图5 集成电子纤维在各种弯曲条件下，并嵌入织物。

图6 微处理器在微纤维上的实现示意图。

总之，研究者展示了在一维微纤维上集成电子设备的电子纤维平台。研究者的电子光纤系统，由基本的电子单元组成，如晶体管、逆变器、用于数据处理的环形振荡器，以及用于探测光/热信号的传感或转换单元。对于高积分密度，采用毛细管辅助涂布法和无掩模光刻法，可在环境条件下快速、直接绘制出所需的高分辨率器件设计。由于目前实验室规模制造工艺的限制，研究者在10厘米长的纤维上实现了30组器件(例如L = 10 μm和W = 50 μm的晶体管/ 100 μm × 100 μm, 50 μm × 50 μm的触点)，这证明了在微纤维上实现电子系统直接组装的概念。最后，每个工艺步骤(如镀膜、光刻、显影、沉积、蚀刻和检验)的设备布置优化，也被认为是通过连续卷卷工艺实现电子纤维批量生产的重要因素。（文：水生）