半导体气体传感器的发展趋势与现状
现实痛点
根据大量生产的实践结果表明，限制半导体气体传感器大范围应用并使其无法按预期产生颠覆性社会影响的瓶颈往往在于气体浓度信号到电信号的可靠性和一致性，误报和假阳性信号所衍生的数据混沌，将随着传感设备的规模化使用不断叠加放大，造成真实信息稀释并对目标环境的精细化时空研判带来冲击性干扰。因此，不同器件之间的品控差异，以及同一个器件不同时域内的稳定性变化，是阻碍MEMS气体传感器实际应用的一个重要挑战。
特别是随着气体传感器的特征尺寸缩小到微米乃至纳米级，将传感材料准确地集成到电极理想位置变得非常困难。配置布局过程中任何伴生的系统性、随机性和动态性的微小变化都可能导致不稳定的载流子传输通路。从实用化角度出发，抛开材料在器件基底上负载排布问题，孤立应对敏感材料或者器件开发以使气体传感器响应最大化等设计方法，便不再符合现实需求，也不利于寻找到问题的最佳解决方案。
当前策略
针对敏感材料在芯片基底上的微尺度集成，传统光学光刻、电子束光刻等工艺可控性高、人工参与度低，与MEMS工艺具有良好的兼容性，符合微器件上敏感材料在预设区域的精确集成及图案化排布需要。特别是对于晶圆流片而言，其加工一致性通常能够满足CV<5%（CV=τ/υ，定义为标准偏差τ与平均值υ之比）的误差要求。但受限于成膜特性以及多工艺间耦合等问题，复杂三维结构的制造往往伴随着成本的大幅增加。特别是当对片上敏感材料膜层对微观织构精细度的要求逼近光刻工艺的物理极限时，摩尔定律所带来的经济效益也将不复存在。
相对而言，印刷工艺成本优势明显，在材料微观结构、化学组成的选择上也更为灵活。随着近年纳米转印、蘸笔直写、微喷等可在空间和功能上精确分配微纳材料技术手段的出现，印刷负载在实现材料和功能的整合方面的便捷性也使其受到广泛关注。然而，该类方法相对低的图案分辨率限制了该技术的进一步拓展，敏感材料油墨液滴的有限尺寸调控范围是实现高图案精细度的基本障碍之一；同时，液滴在固体基底表面干燥过程中的咖啡环效应、马拉戈尼效应与液滴融合过程中的瑞利不稳定性也都极大的影响了集成精度。此外，主流的MOS材料通常以粉末或胶体形式存在，为使其在承印基底上附着牢固，并具备必要的干燥性能和转移性能，需要添加流体连接料、增稠剂、防沉降剂等十余种改性助剂。这些第三相材料的引入，往往会造成敏感材料的本征微观结构的破坏并引入污染。对于掺杂型的敏感材料，在烧结和使用过程中添加剂的扩散分离还会导致偏析的出现，对材料近表面层的化学、电输运和机械性质造成根本性的改变。
新兴机遇
嵌段共聚物（BCPs）的自组装为片上实现10nm级高精度敏感材料结构图案带来了新的希望。BCP分子不同聚合物链段之间的热力学不相容产生的微相分离现象，使其能够一定条件下进行可控自组装，得到大面积、周期性的特定排列图案化膜层，其分辨率由总聚合度、嵌段间的Flory-Huggins相互作用参数χ共同决定。这一特性不仅能实现沟道模板的密度倍增，还可以实现接触孔或通孔等特征尺寸的高分辨微缩，利于克服传统光刻的局限性。通过使用BCP表面拓扑结构来渗透、沉积，或者直接与无机材料前体共组装，为微芯片上低成本敏感材料有序集成提供了新路径。在此基础上，将BCP自组装与自上而下的场诱导技术相结合，可以进一步改善关键结构的特征尺寸均匀性、修复图形缺陷。其中，基于激光诱导的定向共组装策略，与MEMS标准化工艺具有最佳的兼容性，并拥有低成本、高通量、高分辨和延续性好等显著优势。在激光直写过程中，特别是在低速扫描模式下，微米级加热光斑可产生陡峭的温度梯度，有利于形成收敛的局域光热环境。因此嵌段共聚物/无机前驱体的微相分离和结晶被限制在激光掠过前端周围的狭窄区域，随机热涨落导致的非稳定相分离可以得到显著压制。这一特点能够在提高分子扩散率的同时，使反应体系更容易达到平衡态，最终降低长程结构的缺陷率。此外，激光退火能够减小嵌段共聚物中链段之间的表面能差，更容易形成垂直于衬底的微畴，有望为MEMS片上高批次一致性原位快速印刷提供可靠的图形化解决方案。
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