Integração de múltiplos componentes eletrônicos em uma microfibra para uma plataforma têxtil eletrônica emergente

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3173 (2022) Citar este artigo

4446 acessos

8 Citações

3 Altmétrica

Detalhes das métricas

As fibras eletrônicas têm sido consideradas uma das plataformas de dispositivos desejadas devido à sua compatibilidade dimensional com tecidos por tecelagem com fios. No entanto, um processo preciso de conexão entre cada fibra eletrônica é essencial para configurar os circuitos ou sistemas eletrônicos desejados. Aqui, apresentamos uma plataforma de fibra eletrônica integrada fabricando dispositivos eletrônicos em um substrato de microfibra unidimensional. Componentes eletrônicos como transistores, inversores, osciladores de anel e termopares são integrados na superfície externa de um substrato de fibra com padrões precisos de semicondutores e eletrodos. Nossos resultados mostram que os componentes eletrônicos podem ser integrados em uma única fibra com operação confiável. Avaliamos as propriedades eletrônicas do chip na fibra como uma plataforma têxtil eletrônica multifuncional, testando sua comutação e processamento de dados, bem como unidades de detecção ou transdução para detecção de sinais ópticos/térmicos. A demonstração da fibra eletrônica sugere uma prova significativa de conceitos para a realização de alto desempenho com sistemas têxteis eletrônicos vestíveis.

A eletrônica de fibra é de interesse considerável para aplicações vestíveis e têxteis inteligentes, e pode facilitar a comunicação e a interação entre humanos e o ambiente1,2,3. Como elemento básico dos têxteis funcionais, a forma unidimensional (1D) das fibras em forma de fio oferece alta flexibilidade, deformações isotrópicas, respirabilidade e leveza nas estruturas dos tecidos4,5. As fibras funcionais 1D podem ser processadas posteriormente em configurações têxteis bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) por meio de técnicas tradicionais de engenharia têxtil, como torção, tecelagem, costura, tricô, nó e entrelaçamento5,6. Devido a tais méritos intrínsecos, nos últimos anos, componentes de dispositivos baseados em fibra que executam funções optoeletrônicas, como monitoramento de saúde/ambiente, monitores, detecção, coleta de energia, armazenamento de energia, blindagem eletromagnética e processamento de informações, foram integrados diretamente em tecidos para demonstrar roupas futuristas7,8,9,10,11,12,13,14.

As plataformas de fibra eletrônica existentes são geralmente compostas por apenas um tipo de componente eletrônico com uma única função em um substrato de fibra que é atribuído ao envolvimento de uma camada ativa em toda a fibra sem padronização na área desejada na superfície da fibra durante o processo de fabricação. Além disso, um processo de conexão preciso entre cada fibra eletrônica é essencial para configurar os circuitos ou sistemas eletrônicos desejados no tecido 2D, minimizando a degradação do desempenho do dispositivo15. Embora a montagem dessas fibras funcionais possa ser usada para gravar, detectar e ler dados sequencialmente, semelhante aos circuitos integrados convencionais e dispositivos multifuncionais em wafers 2D, tanto as limitações de redução de escala quanto a dificuldade na configuração do circuito eletrônico permanecem grandes obstáculos para o implementação de sistemas práticos de fibra eletrônica. Primeiro, muitas conexões complexas e funcionais são geradas a partir da integração em larga escala (LSI) e, portanto, reduzir a fiação, como fios condutores, é considerado um gargalo para desenvolvimento posterior. Em segundo lugar, a densidade de área do dispositivo deve ser aumentada pela introdução de uma arquitetura ou processo especificamente projetado16. Deste ponto de vista, é altamente necessário desenvolver sistemas eletrônicos compactos e miniaturizados que sejam capazes de trabalhar em uma única fibra. Para conferir múltiplas funções ao têxtil, os métodos de inserção de pequenos componentes eletrônicos em um fio ou fio de fibra têm sido considerados candidatos emergentes, permitindo a implementação de uma fibra digital estirada termicamente e e-yarn17,18,19. No entanto, uma limitação para a abordagem de desenho térmico e a montagem de pequenos componentes na superfície superior de um filamento é a baixa densidade do dispositivo. Ainda não foi relatada uma estratégia para fabricar uma microfibra eletrônica de alta densidade que possua vários componentes e circuitos eletrônicos, além de manter um excelente desempenho elétrico.

TTC-1 > TTC-2 > TTC-3) (Fig. 4C). Although the detected temperature decreased exponentially as the position of the temperature sensor moved away from the heat source due to heat loss from air convection, as shown in Fig. 4D, the calculated temperature at each integrated sensor on a monofilament exhibited clear stepwise behaviour. This implies that the integrated 1D thermoresistive sensors are applicable to not only wearable temperature sensing network systems but also implantable modules. Hence, the above results, together with the UV/thermal sensing and electronic components on the fibre, can offer substantial promise for the implementation of high-performance and multifunctional electronic fibre systems for future electronic textile applications./p>100 GPa) are the Young's modulus of the substrate and active layer, respectively. R is the bending radius. In the simplified formula under the premise that the substrate is much thicker than the active layer and there is a relatively small difference between Ys and Yf, ε within the active layer on the bent substrate can be roughly obtained as the right term of the equation28./p>