CN109791078A - 用于测量植物的液流速率的微针探针装置以及使用该微针探针装置测量植物的液流速率的方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施方式，一种用于测量植物的液流速率的微针探针装置包括：基板，该基板的至少一部分被插入植物中，并且具有微尺度的厚度和宽度；设置在基板上的单根金属线；电源，其通过向金属线施加电流达预定时间来加热金属线；以及处理器，用于通过由金属线产生的热量随着植物内的液的流动的移动来计算液的流速。

Description

用于测量植物的液流速率的微针探针装置以及使用该微针探 针装置测量植物的液流速率的方法
技术领域
以下描述涉及用于测量植物液流速率的微针探针装置以及使用该微针探针装置测量植物液流速率的方法。
背景技术
植物生长模型的环境变量直接影响植物的产量和质量。对植物生长有重要影响的植物的环境信息的示例包括温度、液流(SF)和电导率(EC)。植物的这种主要环境变量用于控制导致植物生长模型的关键因素的其他因素：供水计划、温度和光量控制、施肥定时、施肥量等。
植物生长模型的测量变量限于诸如温度、湿度的外部环境变量。内部变量的方法大多是破坏性的、间接的等。传统方法包括通过使用土壤中的水分、计量的水消耗以及制成液的植物样本的使用来测量电导率。然而，这些方法无法为获取用于准确预测植物活动的直接或详细信息提供充分条件。
作为用于测量植物的液的流动的技术，例如，已经开发了将探针插入植物的茎中的技术，但是该技术使用形式为侵入式探针的装置。
作为测量液流的方法，使用了(i)热脉冲(HP)技术，热脉冲技术通过使用侵入式探针向植物施加周期性热脉冲，并且通过使用单独的温度探针检测热脉冲随植物中的液流的移动来计算流动密度，(ii)散热(HD)技术，散热技术通过使用侵入式探针向植物连续地施加热量，并且根据温度差测量和计算在夜间没有液流的情况下以及在存在液流的情况下散热的程度，(iii)热场变形(HFD)技术，热场变形技术配置具有温度测量探针和加热器探针的侵入式探针，并且通过使用温度测量探针测量由中心处的加热器产生的热量创建的热场由于液流而变形的程度来计算液流密度，以及(iv)茎热平衡(SHB)技术，茎热平衡技术使用茎的上部与下部之间的温差，该温差由液流以及由安装在植物茎外部的加热器产生的热量引起。
然而，因为这些技术使用以侵入形式配置的探针，针的直径达到1mm至5mm的程度，因此这些技术仅限于某些类型的树，并且难以将侵入式探针插入诸如水果和蔬菜如番茄、辣椒和花卉的植物。另外，由于测量装置尺寸大、昂贵且复杂，因此存在下述问题：难以将测量装置一次应用于一个作物的各个部位或者将测量装置一次应用于各种作物，结果，由于样本数目少，因此在确保测量结果的可靠性和获得统计结果方面是不利的。
借助于从生物学开始的各种类型的科学技术的发展，农业创新得到迅速发展。与监测植物生长相关的技术也应受益于诸如信息和通信技术(ICT)、微机电系统(MEMS)和纳米技术等创新技术。
需要开发能够通过使用最小侵入技术来测量包括树木在内的各种植物的生物信息的技术，为此，有必要实施使用MEMS技术的精密测量技术。
更具体地，为了满足最小侵入的需要，需要将要插入植物中的传感器的尺寸减小到微尺度水平。这种微针探针需要使用基于硅加工技术的MEMS技术来制造，导致将与植物组织可持续地相互作用的微针探针的形状、尺寸等。
发明内容
本文中描述的示例性实施方式是提供下述技术，该技术直接且最小侵入地从植物测量用于确定植物的生长模型必需的植物内的温度以及液流速率，并且该技术适用于诸如包括番茄植物和辣椒的水果和蔬菜、花卉以及树木的植物。
本文中描述的另一示例性实施方式是提供下述技术，该技术以微尺度或足够紧凑的尺寸制造测量装置，以容易地同时施加到作物的若干部位或者若干作物而不提供过多的热量，从而确保测量可靠性。
根据示例性实施方式，一种用于测量植物液流速率的微针探针装置，该微针探针装置包括：基板，该基板的至少一部分被插入植物中，并且厚度和宽度为微尺度；设置在基板上的单根金属线；电源，其向金属线施加电流达预定时间并且加热金属线；以及处理器，其通过金属线中产生的热量随着植物内的液流的移动来计算液的流速。
此外，所设置的金属线的数目可以是两个或更多个，并且多根金属线可以被布置在基板上并且在液的流动方向上彼此间隔开，使得在多个位置处测量液流速率。
此外，金属线可以具有在与液流的流动方向垂直的方向上延伸的部分。
此外，电源可以向金属线周期性地施加电流，以在金属线中产生热脉冲。
此外，处理器可以包括：电阻测量模块，其测量金属线的电阻以及电阻的变化；温度计算模块，其基于金属线的电阻的变化来计算金属线的温度的变化；以及流速计算模块，其基于金属线的温度的变化来计算液的流速。
此外，基板可以具有：薄部分，该薄部分的一个端部被锐利地形成并且该薄部分被插入植物中；以及厚部分，该厚部分被定位在与薄部分相对的一侧并且具有比薄部分的厚度更大的厚度，并且厚部分的在薄部分处的一侧的一个端部的宽度在远离薄部分的方向上增加。
根据另一示例性实施方式，一种测量植物的液流速率的方法包括：将微针探针装置插入植物中，微针探针装置包括具有微尺度的厚度和宽度的基底以及设置在基底上的单根金属线；通过向金属线施加电流达预定时间来加热金属线；以及通过金属线中产生的热量随着植物内的液流的移动来计算液的流速。
此外，该方法还可以包括：通过在预定时间终止之后向金属线周期性地施加电流，在金属线中产生热脉冲。
此外，计算液的流速可以包括：测量金属线的电阻的变化；基于金属线的电阻的变化来计算金属线的温度的变化；以及基于金属线的温度的变化来计算液流速率。
根据本文中描述的示例性实施方式，可以通过最小侵入地可应用于植物的微针探针可靠地测量植物的液流速率和植物体内的温度。
此外，其液的流速可测量的植物种类可以从树木延伸到不需要过度加热的、茎的直径小而且不坚硬的作物，例如花卉以及包括番茄植物和辣椒的水果和蔬菜。
此外，可以测量一个农作物的几个位置处的流的流速，并且同时测量若干个农作物中的液的流速，从而进一步改进测量值的可靠性。
附图说明
图1是根据示例性实施方式的用于测量植物的液流速率的微针探针装置的示意性横向截面图。
图2是用于测量图1的植物的液流速率的微针探针装置的示意性俯视图。
图3是根据示例性实施方式的测量植物的液流速率的方法的流程图。
具体实施方式
根据示例性实施方式，一种用于测量植物液流速率的微针探针装置，该微针探针装置包括：基板，该基板的至少一部分被插入植物中，并且厚度和宽度为微尺度；设置在基板上的单根金属线；电源，其向金属线施加电流达预定时间并且加热金属线；以及处理器，其通过金属线中产生的热量随着植物内的液的流动的移动来计算液的流速。
此外，所设置的金属线的数目可以是两个或更多个，并且多根金属线可以被布置在基板上并且在液的流动方向上彼此间隔开，使得在多个位置处测量液的流速。
此外，金属线可以具有在与液的流动方向垂直的方向上延伸的部分。
此外，电源可以向金属线周期性地施加电流，以在金属线中产生热脉冲。
此外，处理器可以包括：电阻测量模块，其测量金属线的电阻以及电阻的变化；温度计算模块，其基于金属线的电阻的变化来计算金属线的温度的变化；以及流速计算模块，其基于金属线的温度的变化来计算液的流速。
此外，基板可以具有：薄部分，该薄部分的一个端部被锐利地形成并且该薄部分被插入植物中；以及厚部分，该厚部分被定位在与薄部分相对的一侧并且具有比薄部分的厚度更大的厚度，并且厚部分的在薄部分处的一侧的一个端部的宽度在远离薄部分的方向上增加。
根据另一示例性实施方式，一种测量植物的液流速率的方法包括：将微针探针装置插入植物中，微针探针装置包括具有微尺度的厚度和宽度的基底以及设置在基底上的单根金属线；通过向金属线施加电流达预定时间来加热金属线；以及通过金属线中产生的热量随着植物内的液的流动的移动来计算液的流速。
此外，该方法还可以包括：通过在预定时间终止之后向金属线周期性地施加电流，在金属线中产生热脉冲。
此外，计算液的流速可以包括：测量金属线的电阻的变化；基于金属线的电阻的变化来计算金属线的温度的变化；以及基于金属线的温度的变化来计算液的流速。
在下文中，将参照附图详细描述特定示例性实施方式。此外，当判断出对本文中包含的已知配置或功能的详细描述可能使示例性实施方式的主题不清楚时，将省略该详细描述。
同时，本文中使用的单数表达包括复数表达，除非单数表达和复数表达在上下文中具有明确相反的含义。另外，除非明确地描述为相反，否则词语“包括”及变型如“包括有”或“包含”将被理解为暗示包括所述元件但不排除任何其他元件。
图1和图2分别是根据示例性实施方式的用于测量植物的液流速率的微针探针装置1(在下文中，称为“微针探针”)的示意性横向截面图和俯视图。根据本示例性实施方式的微针探针1可以通过基于硅的微机电系统(MEMS)工艺制造，并且可以被插入植物的颈部(导管)中并且最小侵入地测量在颈部内流动的液的流速。
微针探针1可以包括基板10。基板10可以通过如上所述的MEMS工艺由硅制成。基板10可以具有被插入植物中的薄部分11以及在与薄部分相对的一侧上的厚部分12，其中薄部分11可以具有相对小的厚度并且厚部分12可以具有相对大的厚度(参见图1)。如上所述，薄部分11比厚部分12薄，使得微针探针1可以容易地被插入植物内的组织中，并且厚部分12形成地比薄部分11厚，使得可以确保基板10的刚性。
此外，插入植物中的薄部分11侧的一个端部被形成为在原子级的程度上是锐利的，使得微针探针1可以容易地被插入植物中。可以通过半导体干蚀刻工艺或者硅杂质掺杂和选择性蚀刻来调整一个端部的锐度。
同时，厚部分12的宽度可以大于薄部分11的宽度(参见图2)。例如，厚部分12的在薄部分11侧处的一个端部的宽度可以与薄部分11的宽度相同或者可以朝向厚部分12增加。因此，锥形倾斜表面可以被形成在厚部分12的一个端部中。通过该结构，可以确保刚性，使得当微针探针1被插入植物中以及测量液的流速时，微针探针1不会破裂。
根据本示例性实施方式的微针探针1的基板10具有微小尺寸，使得可以在最小侵入条件下测量液的流速。作为基板10的尺寸，长度l可以是1mm至6mm，厚度t可以是100μm至200μm，宽度d可以是200μm至400μm。
与相关技术中的直径为1mm至5mm并且仅适用于大而硬的树木的探针不同，根据本示例性实施方式的微针探针1可以被插入并保持在植物的精细组织中，使得微针探针1甚至适用于与树木相比茎较薄的植物，例如花卉或者包括番茄植物和辣椒植物的水果蔬菜植物。
用于测量液流的速率的金属线20可以被设置在基板10上。金属线20可以由例如铂形成，并且可以被形成为金属微图案。如将在下面描述的，当电流被施加到金属线20时，金属线20可以被加热，并且金属线20中产生的热量可以通过液的流动在与液的流动方向相同的方向上移动。因此，液可以吸收金属线20的热量。金属线20的温度的变化被表示为金属线20的电阻的变化，并且可以通过读取电阻的变化来计算温度的变化，并且还可以通过温度的变化来计算液的流速。
此外，金属线20可以被布置成在垂直于液的流动方向的方向上延伸(参见图2)。例如，如图2所示，金属线20由单根线形成，并且可以具有在垂直于液的流动方向的方向上延伸的多个部分。当金属线20被如上所述地构造时，金属线20中产生的热量通过液的流动更好地辐射，使得可以改进金属线20的电阻的变化的测量精度，并且最终可以改进对液的流速的测量。
同时，如图所示，所设置的金属线20的数目可以是两个或更多个，并且多根金属线20可以在基板10的纵向方向上彼此间隔开地布置。在这种情况下，可以在植物的若干点处测量液的流速，从而改进测量值的可靠性。
电源(未示出)可以被布置在基板10上或者被布置成与基板10间隔开，并且可以通过安装在基板10上的母线30向金属线20施加电流。母线30可以是低电阻母线，并且可以通过接触垫40与电源连接。
同时，电源可以仅向金属线20施加电流达预定时间，此外，电源可以向金属线20周期性地施加电流，使得在金属线20中产生热脉冲。
处理器(未示出)可以包括电阻测量模块、温度计算模块和流速计算模块。所述模块是示例，并且可以具有电路形式。电阻测量模块可以通过加热或冷却金属线20来测量金属线20的电阻的变化。温度计算模块可以通过使用电阻的变化来计算金属线20的温度的变化。在这种情况下，温度计算模块可以通过使用电阻温度系数，根据电阻的变化来计算温度的变化。流速计算模块可以通过使用温度的变化来计算液的流速。
同时，处理器可以被理解为包括电阻测量模块、温度计算模块和流速计算模块的构思，并且并不必限于单个物理芯片的形式。当处理器被安装到基板10时，可以提供电阻测量模块、温度计算模块和流速计算模块，并且电阻测量模块、温度计算模块和流速计算模块被集成在一个芯片中或者分成两个或更多个芯片。另外，在电阻测量模块被安装到基板10的状态下，温度计算模块和流速计算模块中的至少一个也可以被布置成与基板10间隔开。在这种情况下，由电阻测量模块测量的金属线20的电阻以及电阻的变化值可以由通信模块(未示出)通过有线或无线方案传输到基板10的外部。
覆盖物(未示出)可以被设置在基板10上并覆盖金属线20的整体或一部分。覆盖物可以例如以薄膜的形式提供，并且可以覆盖金属线20，并且机械地、电气地和化学地保护金属线20。此外，覆盖物可以具有绝缘特性。
当覆盖物以薄膜的形式设置时，覆盖物的材料可以是诸如氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪的无机材料，也可以是诸如聚四氟乙烯(PTFE)和环状透明光学聚合物(CYTOP)的防水有机材料。覆盖物可以包括多个无机材料层、多个有机材料层，或者具有无机材料层和有机材料层组合的形式，以改进绝缘性能。
例如，可以通过化学气相沉积(CVD)方案在金属线20上沉积氮化硅。此外，为了使工艺中的缺陷造成的影响最小化，可以交替地沉积氮化硅层和氧化硅层。在这种情况下，即使任何一层具有缺陷，另一层也可以用作绝缘膜。另外，可以通过使用原子层沉积来补充无机材料层的缺陷。原子层沉积实现了所沉积的薄膜的非常高的均匀性，使得原子层沉积可以填充氮化硅薄膜的裂缝或者诸如针孔等缺陷，并且改进绝缘薄膜的质量。又例如，为了改进绝缘性能，可以使用有机薄膜和无机薄膜的复合层。可以通过浸涂、旋涂、气相沉积等方法在无机材料薄膜层上形成诸如PTFE和CYTOP的有机材料薄膜层。疏水性有机薄膜可以防止液体渗透到金属线20中，从而改进绝缘薄膜的性能。在下文中，将描述根据本示例性实施方式的微针探针1的操作。
电源可以向金属线20施加电流达预定时间，并且相应地，金属线20可以被加热。此外，如上所述，电源可以向金属线20周期性地施加电流，并且在这种情况下，可以在金属线20中产生热脉冲。例如，当电源向金属线20提供100mW的功率达30秒时，金属线20的温度与相邻区域的温度相比可能升高。然后，当经过了预定时间时，金属线20中产生的热的量与辐射到相邻区域的热的量变得平衡，使得金属线20可以被保持在预定温度(达到温度的停滞点)。然后，当电力被阻断时，金属线20的温度可以再次下降并且在预定时间之后等于相邻区域的温度。当液的流速大时，由对流引起的热辐射大，金属线20中产生的热量与辐射的热量可以在低温下平衡。在这种情况下，达到平衡所花费的时间可能相对较短。当液的流速低或者没有液流动时，对流引起的热辐射很少，因此热量可以在高温下平衡。然后，在这种情况下，平衡所花费的时间可能相对较长。
同时，向金属线20施加低于0V的电压可以更有利于防止金属线20的电化学氧化。例如，当高于0V的电压(例如，5V)被施加到金属线20时，如果金属线20被暴露在不存在覆盖物或者覆盖物有缺陷的情况下，则金属线20的与植物组织接触的部分与植物体相比具有相对高的电位，使得电化学氧化加速，并且存在寿命缩短的可能性。同时，低于0V的电压被施加到金属线20，即使金属线20暴露在不存在覆盖物或者覆盖物有缺陷的情况下，金属线20的电位低于植物体的电位，使得可以抑制金属线20中产生的氧化作用，从而导致寿命延长。
在本示例性实施方式的情况下，金属线20的温度的变化可以根据金属线20的电阻的变化来计算。如上所述，处理器的电阻测量模块可以测量金属线20的根据温度的变化而变化的电阻，并且温度计算模块可以通过使用基于电阻变化值的电阻温度系数来计算金属线20的温度的变化。
例如，惠斯通(Wheatstone)电桥电路可以用于测量金属线20的电阻。具有预定电阻值的金属线20和具有与预定电阻值相似的电阻值的三个其他电阻线可以形成四边形。当四个电阻值相同时，惠斯通电桥电路的两个中间点之间的电位差为0。当通过加热金属线20等改变金属线20的电阻值时，在两个中间点之间产生电位差。然后，当测量如上所述产生的电位差时，可以反向计算电阻的变化。作为参考，当通过使用差分放大器放大电位差时，可以更精确地测量电阻的变化。
再例如，可以使用恒流电路来测量金属线20的电阻的变化。制造通过使用恒流调节器等使预定电流流动的电路，并且金属线20可以连接到该电路。无论金属线20的电阻如何，都流过预定电流，使得当测量施加到金属线20的电压时，可以反向计算金属线20的电阻值。在这种情况下，当通过使用放大器放大电压信号时，同样可以更精确地测量电阻值的变化。
同时，当识别出金属线20的电阻的变化和电阻温度系数(TCR)时，可以识别金属线20的温度的变化量。例如，当由金(Au)形成的金属线20的100Ω的初始电阻由于金属线20的温度的变化而增加到101Ω时，在这种情况下金属线20的温度的变化量可以通过使用下面的等式1获得。
[等式1]
此处，T1和T2可以分别表示金属线20的初始温度和变化后的温度，R1和R2可以分别表示金属线20的初始电阻和变化后的电阻，α可以表示金属线20的电阻温度系数。当金属线20的电阻从100Ω增加到101Ω时，已知金的电阻温度系数α为0.0034，因此金属线20的温度的变化可能为约2.94°。
接下来，流速计算模块可以基于金属线20的温度的变化值来计算液的流速。液的流速与金属线20的温度的变化之间的相关性可以由下面的等式2表示。
[等式2]
此处，u是液的流速(m3/m2s)，ΔT是向金属线20施加电力的情况与未向金属线20施加电力的情况之间在热平衡状态下的温度差。ΔTM是在没有液流动时金属线20的温度差值(即，ΔT的最大值)。a和b是常数，并且是通过实验获得的。ΔT和ΔTM可以通过接通或断开向金属线20供电的电源来获得。
根据本示例性实施方式的微针探针1是使用安装在单个基板10上的单根金属线20的单线系统，因此微针探针1的结构可以是简单的。结构的简化是微尺度结构中非常重要的元素，因此在易于实现这方面是有利的。
此外，与单独设置加热器探针和温度测量探针的现有技术不同，可以仅使用单个基板10上的单根金属线20来测量发出的热量并且测量温度，从而也有助于简化结构。
类似地，不单独提供用于施加电力的探针和温度测量探针，但是可以通过仅使用单个基板10调节电力的方案来测量金属线20的温度的变化，从而在简化结构方面是有利的。
图3是根据示例性实施方式的测量植物的液流速率的方法的流程图。在下文中，将参照图3连同图1和图2来描述测量液流速率的方法。
为了测量植物的液流速率，首先，可以将微针探针1插入植物中(S10)。如上所述，微针探针1可以包括基板10以及设置在基板10上的金属线20。然后，基板10可以包括薄部分11和厚部分12，并且可以将薄部分11的至少一部分插入植物的茎的颈部。薄部分11的一个端部被锐利地形成，使得可以容易地插入薄部分11。同时，微针探针1可以被插入植物中，使得金属线20的至少一部分在垂直于液流动的方向上延伸。
然后，可以通过控制电源向金属线20施加电流达预定时间来加热金属线20(S20)。如上所述，电源可以在经过了预定时间之后的预定时间之后再次向金属线20施加电流。如上所述，电源将电流周期性地施加到金属线20，使得可以在金属线20中产生热脉冲。
接下来，可以通过检测金属线20中产生的热量的移动来最终计算液的速度(S30)。特别地，热量通过液的流动在液的流动方向上移动，并且金属线20的温度通过热的移动而改变。可以通过识别温度的变化来计算流速，但是在本示例性实施方式中，描述了通过识别金属线20的电阻的变化来识别温度的变化。即，不需要单独的温度测量探针。例如，可以通过使用温度与电阻之间的关系(电阻温度系数等)来测量金属线20的电阻的变化，并且接下来，可以基于电阻的变化来计算金属线20的温度的变化。当计算出金属线20的温度的变化时，可以基于计算出的温度的变化来计算液的流速。
在前述示例性实施方式中，描述了本技术精神的一些示例，并且本技术精神的范围不限于前述示例性实施方式，并且本领域技术人员可以在本技术精神的范围内对这些实施方式进行各种改变、修改或替换。例如，在特定示例性实施方式中一起描述的配置和特征可以被彼此分散实现，并且在每个不同示例性实施方式中描述的配置和特征可以以组合形式实现。类似地，每个权利要求中描述的配置和特征可以被彼此分散实现，或者被组合实现。此外，所有对配置和特征的实现应视为属于本技术精神的范围。

Claims (9)

1.一种用于测量植物的液流速率的微针探针装置，所述微针探针装置包括：
基板，所述基板的至少一部分被插入植物中，并且所述基板的厚度和宽度为微尺度；
设置在所述基板上的单根金属线；
电源，所述电源向所述金属线施加电流达预定时间并且加热所述金属线；以及
处理器，所述处理器通过所述金属线中产生的热量随着所述植物内的液的流动的移动来计算所述液的流速。
2.根据权利要求1所述的微针探针装置，其中，所设置的金属线的数目是两个或更多个，并且所述多根金属线被布置在所述基板上并且在所述液的流动方向上彼此间隔开，使得在多个位置处测量所述液的流速。
3.根据权利要求1所述的微针探针装置，其中，所述金属线具有在与所述液的流动方向垂直的方向上延伸的部分。
4.根据权利要求1所述的微针探针装置，其中，所述电源向所述金属线周期性地施加电流，以在所述金属线中产生热脉冲。
5.根据权利要求1所述的微针探针装置，其中，所述处理器包括：
电阻测量模块，所述电阻测量模块测量所述金属线的电阻以及所述电阻的变化；
温度计算模块，所述温度计算模块基于所述金属线的电阻的变化来计算所述金属线的温度的变化；以及
流速计算模块，所述流速计算模块基于所述金属线的温度的变化来计算所述液的流速。
6.根据权利要求1所述的微针探针装置，其中，所述基板具有：
薄部分，所述薄部分的一个端部被锐利地形成并且所述薄部分被插入所述植物中；以及
厚部分，所述厚部分被定位在与所述薄部分相对的一侧并且具有比所述薄部分的厚度更大的厚度，并且所述厚部分的在所述薄部分处的一侧的一个端部的宽度在远离所述薄部分的方向上增加。
7.一种测量植物的液流速率的方法，所述方法包括：
将微针探针装置插入植物中，所述微针探针装置包括具有微尺度的厚度和宽度的基底以及设置在所述基底上的单根金属线；
通过向所述金属线施加电流达预定时间来加热所述金属线；以及
通过所述金属线中产生的热量随着所述植物内的液的流动的移动来计算所述液的流速。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
通过在所述预定时间终止之后向所述金属线周期性地施加电流，在所述金属线中产生热脉冲。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，计算所述液的流速包括：
测量所述金属线的电阻的变化；
基于所述金属线的电阻的变化来计算所述金属线的温度的变化；以及
基于所述金属线的温度的变化来计算所述液的流速。
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