Integrazione di più componenti elettronici su una microfibra verso una piattaforma tessile elettronica emergente

Jan 06, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3173 (2022) Citare questo articolo

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Le fibre elettroniche sono state considerate una delle piattaforme di dispositivi desiderate grazie alla loro compatibilità dimensionale con i tessuti mediante tessitura con filati. Tuttavia, un processo di connessione preciso tra ciascuna fibra elettronica è essenziale per configurare i circuiti o sistemi elettronici desiderati. Qui presentiamo una piattaforma integrata in fibra elettronica fabbricando dispositivi elettronici su un substrato in microfibra unidimensionale. Componenti elettronici come transistor, inverter, oscillatori ad anello e termocoppie sono integrati insieme sulla superficie esterna di un substrato di fibra con schemi precisi di semiconduttori ed elettrodi. I nostri risultati mostrano che i componenti elettronici possono essere integrati su una singola fibra con un funzionamento affidabile. Valutiamo le proprietà elettroniche del chip sulla fibra come piattaforma tessile elettronica multifunzionale testandone la commutazione e l'elaborazione dei dati, nonché le unità di rilevamento o trasduzione per il rilevamento di segnali ottici/termici. La dimostrazione della fibra elettronica suggerisce significative prove di concetto per la realizzazione di elevate prestazioni con sistemi tessili elettronici indossabili.

L'elettronica in fibra è di notevole interesse per le applicazioni indossabili e i tessuti intelligenti e può facilitare la comunicazione e l'interazione tra l'uomo e l'ambiente circostante1,2,3. Come elemento base dei tessuti funzionali, la forma unidimensionale (1D) delle fibre filiformi offre elevata flessibilità, deformazioni isotrope, traspirabilità e leggerezza nelle strutture del tessuto4,5. Le fibre funzionali 1D possono essere ulteriormente trasformate in configurazioni di filati tessili bidimensionali (2D) e tridimensionali (3D) attraverso tecniche tradizionali di ingegneria tessile, come torcitura, tessitura, cucito, lavoro a maglia, annodatura e intreccio5,6. A causa di tali meriti intrinseci, negli ultimi anni, componenti di dispositivi basati su fibra che svolgono funzioni optoelettroniche, come monitoraggio sanitario/ambientale, display, rilevamento, raccolta di energia, stoccaggio di energia, schermatura elettromagnetica ed elaborazione delle informazioni, sono stati integrati direttamente nei tessuti per dimostrare abiti futuristici7,8,9,10,11,12,13,14.

Le piattaforme di fibra elettronica esistenti sono generalmente composte da un solo tipo di componente elettronico con un'unica funzione su un substrato di fibra che viene attribuita all'avvolgimento tutt'intorno di uno strato attivo sull'intera fibra senza modellare l'area desiderata sulla superficie della fibra durante il processo di produzione. Inoltre, un processo di connessione preciso tra ciascuna fibra elettronica è essenziale per configurare i circuiti o sistemi elettronici desiderati nel tessuto 2D riducendo al minimo il degrado delle prestazioni del dispositivo15. Sebbene l'assemblaggio di tali fibre funzionali possa essere utilizzato per la registrazione, il rilevamento e la lettura dei dati in sequenza, in modo simile ai circuiti integrati convenzionali e ai dispositivi multifunzionali su wafer 2D, sia le limitazioni alla riduzione delle dimensioni che la difficoltà nella configurazione del circuito elettronico rimangono i principali ostacoli per il realizzazione di pratici sistemi di fibra elettronica. Innanzitutto, molte connessioni complesse e funzionali vengono generate dall’integrazione su larga scala (LSI) e quindi la riduzione dei cablaggi, come i fili conduttivi, è considerata un collo di bottiglia per l’ulteriore sviluppo. In secondo luogo, la densità dell’area del dispositivo dovrebbe essere aumentata introducendo un’architettura o un processo appositamente progettati16. Da questo punto di vista è assolutamente necessario sviluppare sistemi elettronici compatti e miniaturizzati in grado di funzionare su un'unica fibra. Per conferire molteplici funzioni al tessuto, i metodi di inserimento di piccoli componenti elettronici in un filo o in un filo di fibra sono stati considerati candidati emergenti, consentendo l'implementazione di una fibra digitale stirata termicamente e di un filo elettronico17,18,19. Tuttavia, una limitazione all’approccio del disegno termico e al montaggio di piccoli componenti sulla superficie superiore di un filamento è la bassa densità del dispositivo. Non è stata ancora segnalata una strategia per fabbricare una microfibra elettronica ad alta densità che possieda più componenti e circuiti elettronici oltre a mantenere eccellenti prestazioni elettriche.