Интеграция множества электронных компонентов на микроволокне для создания новой электронной текстильной платформы.

Jan 06, 2024

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3173 (2022) Цитировать эту статью

4468 Доступов

8 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Электронные волокна считались одной из желаемых платформ устройств из-за их совместимости по размерам с тканями при переплетении пряжи. Однако точный процесс соединения между каждым электронным волокном необходим для настройки желаемых электронных схем или систем. Здесь мы представляем интегрированную платформу электронного волокна, изготавливая электронные устройства на одномерной подложке из микроволокна. Электронные компоненты, такие как транзисторы, инверторы, кольцевые генераторы и термопары, интегрированы на внешнюю поверхность волоконной подложки с точным расположением полупроводников и электродов. Наши результаты показывают, что электронные компоненты могут быть интегрированы в одно волокно и надежно работать. Мы оцениваем электронные свойства чипа на волокне как многофункциональной электронной текстильной платформы, тестируя их коммутацию и обработку данных, а также блоки датчиков или преобразователей для обнаружения оптических/тепловых сигналов. Демонстрация электронного волокна является важным доказательством концепции реализации высокой производительности носимых электронных текстильных систем.

Волоконная электроника представляет значительный интерес для носимых устройств и умного текстиля, и она может облегчить общение и взаимодействие между людьми и окружающей средой1,2,3. Одномерная (1D) форма нитевидных волокон, являющаяся основным элементом функционального текстиля, обеспечивает высокую гибкость, изотропные деформации, воздухопроницаемость и легкий вес тканевых структур4,5. Функциональные волокна 1D могут быть дополнительно переработаны в двумерные (2D) текстильные и трехмерные (3D) конфигурации пряжи с помощью традиционных методов текстильной инженерии, таких как скручивание, плетение, шитье, вязание, завязывание узлов и переплетение5,6. Благодаря таким внутренним достоинствам в последние годы компоненты устройств на основе волокон, выполняющие оптоэлектронные функции, такие как мониторинг здоровья/окружающей среды, дисплеи, считывание, сбор энергии, хранение энергии, электромагнитное экранирование и обработка информации, были интегрированы непосредственно в ткани. продемонстрировать футуристическую одежду7,8,9,10,11,12,13,14.

Существующие оптоволоконные платформы обычно состоят только из одного типа электронных компонентов с единственной функцией на подложке волокна, которая заключается в намотке активного слоя на все волокно без формирования рисунка в желаемой области на поверхности волокна. во время производственного процесса. Более того, точный процесс соединения между каждым электронным волокном необходим для настройки нужных электронных схем или систем в 2D-ткане, минимизируя при этом ухудшение производительности устройства15. Хотя сборка этих функциональных волокон может использоваться для последовательной записи, обнаружения и считывания данных, подобно обычным интегральным схемам и многофункциональным устройствам на двумерных пластинах, как ограничения на уменьшение масштаба, так и трудности в конфигурации электронной схемы остаются основными препятствиями для разработки. внедрение практических электронных волоконно-оптических систем. Во-первых, в результате крупномасштабной интеграции (LSI) создается множество сложных и функциональных соединений, и поэтому сокращение количества проводов, таких как проводящие нити, считается узким местом для дальнейшего развития. Во-вторых, плотность размещения устройства должна быть увеличена за счет внедрения специально разработанной архитектуры или процесса16. С этой точки зрения крайне необходима разработка компактных и миниатюрных электронных систем, способных работать по одному волокну. Чтобы придать ткани множество функций, новыми кандидатами считаются методы вставки небольших электронных компонентов в пряжу или пряжу волокна, позволяющие реализовать термически вытянутое цифровое волокно и электронную пряжу17,18,19. Однако ограничением метода термической вытяжки и установки небольших компонентов на верхнюю поверхность нити является низкая плотность устройств. О стратегии изготовления электронного микроволокна высокой плотности, обладающего множеством электронных компонентов и схем, а также сохраняющего отличные электрические характеристики, пока не сообщалось.