现有基础中的移动集群式环境监测网络
群体式协同监测 网络
基于跳跃昆虫设计 的地面移动平台
基于八目鳗鱼设计 的水中移动平台 水面移动基站
地面移动基站
相关的鳗鱼机器人样机
相关的跳跃机器人样机
谢谢！
RFID-sensor的构成
Passive RFID-sensor： 无源 Active RF-sensor： 有源，微小电池，可用10年
实样
SAW ID-Tag 传感器
无线唤醒
无线传感器节点电源管理
常开（主动发射） 轮询（定时唤醒） 无线唤醒 使用无线唤醒技术可以 获得最长的使用寿命！
无线唤醒
纳米金颗粒
（a）高浓度纳米金组装的衍射图
（b）纳米金探针的透射电镜图
（c）高浓度纳米金组装的电镜图
（d）低浓度纳米金组装的电镜图
碳表面蒸纳米金粒
纳米磁珠
高分子导电聚合物膜表面的电镜图
高聚物与SWCNT复合体薄膜 网络的3D AFM图像
碳纳米线照片
（a）
（b）
Fe、Ni纳米线的TEM形貌图 （a）Fe纳米线 （b）Ni纳米线
表面扫描电镜图
独立的湿度检测及数 据传输系统
温湿度传感器以及 测量系统外观图
集成冷链温度 无线检测
单纤维气敏传感器
单根聚苯胺纤维及其对氨气的响应特性
氨气、有机胺气敏传感器
70 60
composite MWCNTs PPy
50
40
30
20
10
0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
基于物联网的环境 监测传感器技术
陈裕泉 教授
yqchen@
浙江大学
生物医学工程及仪器 生物传感器国家专业实验室
现代信息社会
传感器 感官 通讯 神经系统 计算机 大脑
便携水质分析
传感器三大支撑技术
传感器基本原理 功能材料 制造技术——微细加工技术
物联网节点传感器的要求：
1, 微型化 3, 量大面广 2, 低功耗 4, 低成本高性价比
Smart Dust
市场上的气敏传感器 氧化物半导体材料 体积大 工作温度高 功耗大 非本安型
微纳传感器
特点： 微型化、低功耗 适于IC集成工艺大批量生产 易于多参数集成 智能检测系统集成 适合物联网节点应用 多参数集成 智能传感器 网络传感器
PL intensity (a.u.)
200
0 500 600 700 800 900 1000
Wavelength (nm)
对金属离子的荧光响应特性
I/I0
微纳气敏传感器芯片：苯传感器，甲苯传感器，甲醛传感器， 二甲苯传感器，乙烯传感器，氨传感器，乙醇传感器，硫化氢 传感器，甲烷传感器，二氧化硫传感器，氢气传感器，氮氧化 物传感器，有机气体综合传感器，醇类传感器，二恶英传感器 等； 原理：利用MEMS技术进行微型气敏 薄膜芯片设计； 应用：针对不同气体的敏感检测； 优点：快速低浓度多成分气敏检测； 创新：利用纳米颗粒技术进行气敏薄 膜制备，利用敏感掺杂提高传感器的 选择性和灵敏度； 纳米气敏传感器芯片电子鼻检测系统
不同方法制膜的气敏传感器
传感器阵列基板
碳纳米管气敏传感器照片
便携式室内有毒有害气体检测微系统
检测系统原理样机
手持式单项气体检测系统
发展基于纳米碳管和定向纳米碳管的新的气敏功能材 料体系，提高了传感器的气敏灵敏度。用于甲醛、三苯等 有机污染气体及其他微量痕量气体的检测。
生物传感器
生物传感器原理示意图 生物传感器以具有高度选择性的生物活性单元作为敏感膜，通过各类物理或化 学信号换能器将待测物质与敏感膜之间的反应变化参数转换为易于监测的电信 号，从而得出被测物的浓度、成分或结构等信息。
气敏传感器的敏感材料－碳纳米管
多臂纳米碳管照片
定向纳米碳管薄膜剖面照片
交流电泳法定量碳纳米管高灵敏度气敏薄膜制作
优点：定量、可控、适合批量生产
高分子湿敏材料成膜技术——静电纺丝
电喷成膜装置示意图
表面电镜效果图
电纺制备聚合物纳米纤维
电场牵引下泰勒锥和纺丝的形成
聚合物纳米纤维制备
聚合物纳米纤维应用 传感器、生物骨架、过滤薄膜、医学 敷料、电池电极等。 聚合物纳米纤维制备 电纺法、拉伸法、模板聚合、自组织
原理：聚合物敏感材料的电阻随湿度改变而改变或在不同湿度 环境下膜特性发生变化而导致声表面波频率响应改变 应用：工农业生产环境湿度控制；大气湿度检测，家居环境湿 度控制，以保证人体舒适；食品储存环境；军用武器弹药储存 等 优点：响应迅速，灵敏度高，稳定性较好，价格低廉，便携化 和集成化；可实现无线传输 创新点：采用新型聚合物复合材料，具有很高的灵敏度和良好 的耐高湿环境能力及长期稳定性 现有基础：得到国家自然科学基金和863项目资助，并实现产业 化开发。
生物传感器的应用
食品工业： 食品生产过程检测，如发酵… 食品成分分析：甜度，酸度，维生素… 食品安全卫生检测：残留农药，细菌，添加剂 食品感官指标评价：鲜度、气味等 环境检测：
水质：BOD,COD, pH, EC, TOC, 混浊度，重金属离子浓度… 大气：CO2, NH3, SO2, VOCs, H2S 土壤：重金属，pH，湿度，温度….
Concentration of NH3 (ppm)
对氨气的响应
90 80 70 60
PANI-TSA PANI-TSA/MWNT PANI-SSA PANI-SSA/MWNT
S (%)
50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
原理：聚合物及聚合物/无机纳米复合敏感 材料接触气体后电阻变化 应用：工业生产，环境监测，疾病初探 优点：可在室温下检测，无需加热，功耗 低，响应快，成本低，灵敏度高（可达 ppb级） 创新：采用纳米结构聚合物及其复合敏感 材料，解决传统材料响应较慢，响应可 逆性差等缺点
支撑：纳米技术 IC加工技术 MEMS技术
传感器的基底材料
硅基底 陶瓷基底
塑料和纸基底
解决MEMS厚膜制备工艺
丝网模版
基底材料
丝网印刷
工艺流程
基底电极 基底电极
封装 切割
传感器
纳米技术功能材料
纳米粒子 纳米线 纳米空洞 碳纳米管
纳米材料特性 : （1）表面与界面效应 （2）小尺寸效应 （3）量子尺寸效应 （4）宏观量子隧道效应
多酶固定化新技术和多通道微弱信号同步检测技术；发 展以MEMS为基础的便携式多功能微量全血生化检测仪器及相 关技术。
仪器
原理
糖尿病相关血液检测微系统
糖尿病相关血液参数生物传感器
血糖
酮sors
RFID-sensor是美国Intel公司和美国多所大学全力研究 的项目计划 RFID传感器芯片的开发是日本新能源产业技术综合研究 机构（NEDO）的“生物·IT融合设备开发项目”的重要组 成部分。
[Zn ] (uM) 0 1 2 3 4 5 15 25 35 45 55
2+
1.0
0.8
0.6
0.4
0
5
10
15
20
25
30
[Zn2+] (uM)
原理： 共轭聚合物及其与纳米二 氧化硅复合物的荧光响应被金属 离子和TNT淬灭 应用：环境监测，国家安全和反 恐需求 优点：响应快，灵敏度极高，具 有选择性 创新：采用新型复合敏感材料， 室温检测，高灵敏度和选择性，
不同聚合物材料电纺纤维形态
a) 聚氧化乙烯(PEO)纤 维 b) 聚酰胺(PA)带状纤维 c)聚乳酸(PLA)多孔纤维 d)聚丙烯腈(PAN)纤维 e) 聚偏氟乙烯(PVDF)纤 维 f) 聚乙烯醇(PVA)纤维
近场电纺
通过调整喷射间距、溶液配比、移动收集基板等方法，获取 定向排列的纳米聚合物纤维。 通过该技术可获得可控形状的纳米纤维阵列、可控直径的 单根纳米纤维。
生物医学：
疾病早期检测（如糖尿病，血铅中毒，肝炎，癌症….） 药物筛选 细胞测量
军事：
细菌，病毒，毒气等检测
酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜
检测单个病毒的纳米线传感器
抗生物素蛋白结合到生物素修饰的三面体银纳米生物传感器表面
单个细菌结合极多纳米颗粒，利于信号放大
基于MEMS的血液多参数检测生物传感器
声表面波（SAW）湿敏传感器
基本元件——单端声表面波谐振器 (SAWR)
SAWR 元件结构
声表面波（SAW）湿敏传感器 器件性能改善：
全湿度区间高灵敏度 快速吸湿脱湿性能 高耐水性及稳定性
响应时间测试结果
灵敏度及重复性测试结果
声表面波（SAW）湿敏传感器
加工与制备——精密MEMS光刻工艺
器件实物图
湿度传感器
10
7
10
80 RH%
10
6
Dessication Humidification
8
Impedance(Ω)
Voltage(v)
10
5
6
4
10
4
43 RH%
2
10
3
0 0 100 200 300 400
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Time (s)
Humidity (RH %)
射频唤醒关键技术
选频唤醒技术 定向技术
无线充电
无线门禁系统
物流控制 系统
传感器的智能化发展
智能传感器是指将传感器和测量仪器、计算机结合成 为传感器和测量仪器系统。
微小型自主移动式传感器网络平台
原理：固定网络传感器节点和多 传感器移动节点，仿生集群系 统； 应用：环境监测，污染监测，低 碳生活； 优点：有利于提高监测精度，降 低监控成本，扩大监测范围；监 控标的可迅速、方便重新部署； 创新点：仿生集群技术，新型传 感器组合； 微型跳跃和类鳗鱼仿生传感器移 动平台。