[发明专利]一种光电芯片集成纤维的制作方法及其纤维制品

说明书

一种光电芯片集成纤维的制作方法及其纤维、纱线和织物，包括用将纤维基底材料制作成预制棒；预制棒内设有光电芯片与引线，对预制棒进行热拉伸，使得引线在热拉伸过程中与光电芯片电接触，得到光电芯片集成纤维，引线与光电芯片在热拉伸的过程中保持形态和性能的固定；或者引线与光电芯片在热拉伸之前就已经电连接，通过热拉伸进行进一步封装形成光电芯片集成纤维。本发明所提供的光电芯片集成纤维的制作方法，及其该纤维、纱线和织物可用于全方位发光、手势识别、视觉反馈、生理监测等领域。

技术领域

本发明涉及一种纤维的制作方法，特别是涉及一种光电芯片集成纤维的制作方法及相应的纤维制品。

背景技术

随着复合材料的发展以及人们对智能化生活的需求，以及近年来功能纤维领域蓬勃发展，各种各样的功能纤维被制造出来，如导电纤维、导热纤维、磁控纤维等。此外，科学家还将其与纺织品相结合应用于智能可穿戴领域，实现通信、生理监测、温度调控、柔性发光等多种功能。

传统的可穿戴设备是在硬衬底板上生产出来的，功能器件被附着在织物表面，会影响使用者穿着的舒适度，而构建纤维基器件，并将其与纺织品相结合，不仅提高了织物的“聪明度”，还保持了织物原有的柔软性与舒适性。

目前纤维基器件的构建可通过多种工艺实现，包括热拉伸、湿法纺丝、静电纺丝、浸涂、电化学处理、溶胶凝胶法、沉积法或者上述方法中其中两种或多种工艺的组合方法等。纤维基器件大致可分为两类：一类是单组分纤维基器件，即通过对单材料纤维或复合材料纤维表面添加外部涂层来构成纤维器件，如碳纳米管纤维可以用作扭转驱动器，导电层涂覆的聚合物纤维，包括橡胶纤维、聚氨酯纤维、氨纶纤维等多种，可以用作电阻式应变传感器，这种通过在纤维表面添加外部涂层来制备纤维器件的工艺较为繁琐，且大多数情况下不能制备出较长的纤维；另一类是多组分纤维基器件，主要包括层状或同轴结构以及复杂排列结构的纤维基器件，如麻省理工学院的Yoel Fink团队通过热拉伸包层为聚醚砜(PES)材料，芯层为As-Se-Te-Sn材料，且由四根Sn金属线进行连接的预制棒制备得到光电探测纤维，其局限性在于对芯层及包层材料的限制，该工艺只能共拉伸粘弹性相匹配的材料，从而会限制所得纤维的功能性，并且热拉伸所得的纤维器件的性能通常比基于晶圆制备工艺所得的“器件级”材料的性能差。

除了上述的热拉伸工艺可以在纤维内集成光电子器件，还有另外两种常用方法。一种是美国克莱姆森大学的Ballato团队提出的熔芯法，该方法首先制备出包含所有所需材料的多材料微纳米结构的预制棒，随后采用熔芯法使其缩小到所需的尺寸。其局限性在于需要对所得纤维进行局部加热后处理从而使纤维内部材料建立电连接，另外，该方法对所用材料也有一定限制。另一种是美国宾州州立大学的Badding团队提出的高压化学气相沉积法，该方法基于预制的中空纤维，使其作为基底，之后在其内部表面沉积或渗透多种材料。由于该方法可以按顺序沉积不同的材料，因此可以实现多种纤维内器件，如纤维内PN结、肖特基结、PIN结、欧姆触点等，但该工艺具有一定的局限性，制备的纤维长度受限，仅能实现厘米至毫米级的纤维，且其只适用于能够在纤维内气相合成的材料，对所用材料限制较大。

通过在纤维内掺入具有不同电学、光学性能的材料来集成功能性纤维器件是复杂且受限的，因为若要在纤维内实现复杂功能需要多种材料，包括晶体半导体材料、高熔点合金、薄膜、热固性聚合物等，而这些材料往往是不能实现与纤维材料共拉的，由于这些材料的限制，以及微电子器件对微尺度尺寸控制的制备要求，通过该方法将微电子器件完全集成到纤维中是不可行的。