KR102186466B1 - 식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브와, 이를 구비한 측정 장치 - Google Patents

식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브와, 이를 구비한 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정을 위한 마이크로 프로브는, 기판; 상기 기판의 일면에 설치되고, 제1 중공을 가지는 제1 금속 구조체; 및 상기 제1 금속 구조체의 일측에 위치하도록 상기 기판의 일면에 설치되고, 제2 중공을 가지는 제2 금속 구조체를 포함하고, 상기 기판에는, 상기 제1 중공과 연통하는 제1 관통홀 및 상기 제2 중공과 연통하는 제2 관통홀이 형성되고, 상기 제1 금속 구조체의 적어도 일부는 발열 저항체로 이루어진다.

Description

식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브와, 이를 구비한 측정 장치{Micro probe for measuring electrical conductivity and flow rate of sap, and measuring device with the same}
본 발명은 식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정을 위한 마이크로 프로브와, 이를 구비한 전기 전도도 및 유속 측정 장치에 관한 것이다.
식물 생육 모델은 식물의 생산량과 품질에 직접적인 영향을 미치고 있다. 식물 생육에 주요한 영향을 미치는 식물 생체 정보로는 온도, 수액 흐름(sap flow), 전기 전도도(electrical conductivity)를 들 수 있으며, 이들 식물 생체 정보를 기초로 하여 물주기 스케쥴링, 온도 및 광량 제어, 비료 공급 시기와 양 등을 결정하여 식물 생육 모델을 결정하게 된다.
수액의 전기 전도도를 측정하기 위한 대표적인 방법으로, 식물의 줄기 내에 삽입된 두 전극에 전압을 공급하고 그때 흐르는 전류를 측정하는 것을 통해 수액의 전기 전도도를 측정하는 방법이 있다. 이러한 방법은 전극이 수액에 직접 접촉되기 때문에 전극이 수액 내의 산 또는 알칼리와 반응하여 부식되거나 전극 표면의 오염 등 여러 요인으로 인해 측정값에 오차가 발생할 수 있고, 일반적으로 내화학성이나 내열성이 좋지 않다.
따라서 이에 대한 대안으로, 액체의 전기 전도도 측정에 이용되는, 전자기 유도를 이용한 토로이달(toroidal) 전기 전도도 센서를 고려할 수 있다. 도 1은 토로이달 전기 전도도 센서의 구조 및 동작 원리를 나타낸다. 구동부(20)는 제1 환형 코일(10_1)에 교류 전류(iOSC)를 인가한다. 제1 환형 코일(10_1)에 흐르는 교류 전류(iOSC)에 의해 제1 환형 코일(10_1) 속에는 교류 자기장이 생성되고, 이 교류 자기장은 제1 환형 코일(10_1)을 통과하는 전류(iG)를 발생시키며, 이 전류(iG)는 제2 환형 코일(10_2)을 통과하게 된다. 제2 환형 코일(10_2)을 통과하는 전류(iG)로 인해 제2 환형 코일(10_2) 속에는 자기장이 형성되고, 이 자기장으로 인해 제2 환형 코일(10_2)에는 유도 전류(iIND)가 유도된다. 제2 환형 코일(10_2)을 통과하는 전류(iG)의 크기는 액체의 전기 전도도에 비례하므로, 그로 인한 유도 전류(iIND) 역시 액체의 전기 전도도에 비례하게 된다. 따라서 검출부(30)가 유도 전류(iIND)를 검출하면, 전기 전도도 산출부(40)는 유도 전류(iIND)와 전기 전도도의 상관관계를 이용하여 전기 전도도를 산출할 수 있다.
이와 같은 토로이달 전기 전도도 센서는 전극이 직접 액체에 접촉되지 않기 때문에 부식이나 오염의 문제가 적고 내화학성 및 내열성이 우수한 장점이 있으나, 환형 코일 구조이므로 제작이 까다롭고 소형화가 어려운 단점이 있다. 식물 수액의 전기 전도도를 측정하기 위해서는 수십 내지 수백 ㎛ 이하의 초소형 센서가 요구되는데, 토로이달 전기 전도도 센서를 이처럼 초소형으로 제작하는 것은 불가능하다.
한편, 수액 유속을 측정하는 방법으로, (i) 침습적인 프로브를 사용하여 주기적인 히트 펄스를 식물에 부여하고 식물의 수액 흐름에 따른 히트 펄스의 이동을 온도 프로브로 감지하여 흐름 속도를 계산하는 히트 펄스(Heat Pulse; HP) 기술, (ii) 침습적인 프로브를 사용하여 연속적으로 열을 식물에 부여하고 야간에 수액 흐름이 없는 경우와 수액 흐름이 존재하는 경우의 열이 소실되는 정도를 온도차로 측정하여 산출하는 열 소실(Heat Dissipation; HD) 기술, (iii) 침습적인 프로브를 온도 측정용 프로브와 히터 프로브로 구성하여 중앙의 히터가 열을 발생하여 생긴 열 발생장(heat field)이 수액 흐름으로 인하여 변형되는 정도를 온도 측정용 프로브로 측정하여 수액 흐름 속도를 산출하는 열 발생장 변형(Heat Field Deformation; HFD) 기술, 및 (iv) 식물 줄기 외부에 설치된 히터에 의해 발생하는 열이 수액 흐름으로 인하여 줄기 상하부의 온도차가 발생하는 것을 이용하는 줄기 히트 밸런스(Stem Heat Balance; SHB) 기술 등이 있다.
기존에 식물 수액의 전기 전도도와 수액 유속을 측정하기 위해서는, 전기 전도도 측정용 프로브와 수액 유속 측정용 프로브를 별도로 식물의 줄기에 삽입하여 측정하여야 했다. 그런데 식물에 프로브를 삽입하려면 필연적으로 식물체에 구멍을 뚫어야 하고, 설치되는 프로브의 개수가 많아질수록 식물체의 생장에 영향을 줄 수밖에 없다. 따라서 하나의 프로브를 통해 전기 전도도와 수액 유속을 모두 측정할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전자기 유도를 이용한 전기 전도도 측정 수단으로서 소형화가 용이하고 MEMS 공정으로 제작이 가능하며, 하나의 프로브를 통해 수액의 전기 전도도 뿐만 아니라 수액 유속도 함께 측정할 수 있는 마이크로 프로브 및 이를 구비한 측정 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정을 위한 마이크로 프로브는, 기판; 상기 기판의 일면에 설치되고, 제1 중공을 가지는 제1 금속 구조체; 및 상기 제1 금속 구조체의 일측에 위치하도록 상기 기판의 일면에 설치되고, 제2 중공을 가지는 제2 금속 구조체를 포함하고, 상기 기판에는, 상기 제1 중공과 연통하는 제1 관통홀 및 상기 제2 중공과 연통하는 제2 관통홀이 형성되고, 상기 제1 금속 구조체의 적어도 일부는 발열 저항체로 이루어진다.
상기 제1 금속 구조체는, 상기 기판의 일면에 설치되는 중공형의 제1_1 플레이트와, 상기 제1_1 플레이트에 대향하여 배치되는 중공형의 제1_2 플레이트와, 상기 제1_1 플레이트의 내측 가장자리로부터 상기 제1_2 플레이트의 내측 가장자리로 연장되는 중공형의 제1 기둥으로 이루어지고, 상기 제2 금속 구조체는, 상기 제1_1 플레이트의 일측에 위치하도록 상기 기판의 일면에 설치되는 중공형의 제2_1 플레이트와, 상기 제2_1 플레이트에 대향하여 배치되는 중공형의 제2_2 플레이트와, 상기 제2_1 플레이트의 내측 가장자리로부터 상기 제2_2 플레이트의 내측 가장자리로 연장되는 중공형의 제2 기둥으로 이루어질 수 있다.
상기 마이크로 프로브는, 상기 제1_1 플레이트와 상기 제1_2 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제1 기둥을 둘러싸는 링 형태의 제1 자성체; 및 상기 제2_1 플레이트와 상기 제2_2 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제2 기둥을 둘러싸는 링 형태의 제2 자성체를 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로 프로브는, 상기 제1 금속 구조체 및 상기 제1 자성체를 커버하도록 상기 기판의 일면에 설치되는 제1 커버부; 및 상기 제2 금속 구조체 및 상기 제2 자성체를 커버하도록 상기 기판의 일면에 설치되는 제2 커버부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 커버부에는, 내측에 상기 제1 금속 구조체 및 상기 제1 자성체를 수용하는 링 형태의 제1 수용공간이 형성되고, 상기 제1 수용공간의 중앙부에는, 상기 제1 중공에 삽입되고, 상기 제1 관통홀과 연통하는 제3 중공을 가지는 제3 기둥이 형성되고, 상기 제2 커버부에는, 내측에 상기 제2 금속 구조체 및 상기 제2 자성체를 수용하는 링 형태의 제2 수용공간이 형성되고, 상기 제2 수용공간의 중앙부에는, 상기 제2 중공에 삽입되고, 상기 제2 관통홀과 연통하는 제4 중공을 가지는 제4 기둥이 형성될 수 있다.
상기 마이크로 프로브는, 상기 제1_1 플레이트에 연결되는 제1_1 도선; 상기 제1_2 플레이트에 연결되는 제1_2 도선; 상기 제2_1 플레이트에 연결되는 제2_1 도선; 및 상기 제2_2 플레이트에 연결되는 제2_2 도선을 더 포함할 수 있다.
상기 제1_1 도선은 상기 제1_1 플레이트의 외측 가장자리에 연결되고, 상기 제1_2 도선은 상기 제1_2 플레이트의 외측 가장자리에 연결되고, 상기 제2_1 도선은 상기 제2_1 플레이트의 외측 가장자리에 연결되고, 상기 제2_2 도선은 상기 제2_2 플레이트의 외측 가잘자리에 연결될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정 장치는, 상기된 마이크로 프로브; 상기 제1 금속 구조체에 교류 전류를 인가하는 구동부; 상기 교류 전류에 의하여 상기 제1 중공, 상기 제2 중공, 상기 제2 관통홀, 상기 제1 관통홀을 통과하는 전류가 발생하고, 상기 발생된 전류에 의하여 상기 제2 금속 구조체에 유도되는 유도 전류를 검출하는 검출부; 상기 검출된 유도 전류를 기초로 전기 전도도를 산출하는 전기 전도도 산출부; 상기 제1 금속 구조체의 저항 변화를 측정하는 저항 변화 측정부; 및 상기 측정된 저항 변화를 기초로 수액 유속을 산출하는 수액 유속 산출부를 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정 장치는, 상기된 마이크로 프로브; 상기 제1_1 도선 및 상기 제1_2 도선을 통해 상기 제1 금속 구조체에 교류 전류를 인가하는 구동부; 상기 교류 전류에 의하여 상기 제1 중공, 상기 제2 중공, 상기 제2 관통홀, 상기 제1 관통홀을 통과하는 전류가 발생하고, 상기 발생된 전류에 의하여 상기 제2 금속 구조체에 유도 전류가 유도되면, 상기 제2_1 도선 및 상기 제2_2 도선을 통해 상기 유도 전류를 검출하는 검출부; 상기 검출된 유도 전류를 기초로 전기 전도도를 산출하는 전기 전도도 산출부; 상기 제1_1 도선 및 상기 제1_2 도선을 통해 상기 제1 금속 구조체의 저항 변화를 측정하는 저항 변화 측정부; 및 상기 측정된 저항 변화를 기초로 수액 유속을 산출하는 수액 유속 산출부를 포함할 수 있다.
상기된 본 발명에 따른 마이크로 프로브는 예컨대 수십 내지 수백 ㎛ 이하의 초소형화가 용이하고, 실리콘 공정 기술인 MEMS 공정을 이용하여 제작이 가능하며, 하나의 프로브를 통해 수액의 전기 전도도 뿐만 아니라 수액 유속도 함께 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 토로이달 전기 전도도 센서의 구조 및 동작 원리를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프로브의 상부측 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프로브의 상부측 제1 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프로브의 상부측 제2 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 제2 분해 사시도를 하부측에서 바라본 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프로브의 단면 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프로브의 단면 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수액의 전기 전도도 및 유속 측정 장치의 구성을 나타낸다.
도 9는 도 8의 마이크로 프로브를 다른 측면에서 바라본 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 프로브에 교류 전류가 인가됨에 따라 유도 전류가 유도되는 과정을 보여주는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수액의 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브(이하, '마이크로 프로브'라 함) 및 이를 구비한 측정 장치의 구성을 나타내는 도면들로서, 도 2는 마이크로 프로브의 상부측 사시도이고, 도 3은 마이크로 프로브의 상부측 제1 분해 사시도이고, 도 4는 마이크로 프로브의 상부측 제2 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 제2 분해 사시도를 하부측에서 바라본 도면이고, 도 6은 마이크로 프로브의 단면 사시도이고, 도 7은 마이크로 프로브의 단면 측면도이고, 도 8은 전기 전도도 측정 장치의 구성과 마이크로 프로브에 교류 전류가 인가되고 유도 전류가 검출되는 모습이고, 도 9는 도 8의 마이크로 프로브를 다른 측면에서 바라본 도면이다.
도 2 내지 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 프로브는, 기판(100), 제1 금속 구조체(200_1), 제2 금속 구조체(200_2), 제1 자성체(300_1), 제2 자성체(300_2), 제1 커버부(400_1), 제2 커버부(400_2), 제1_1 도선(211_1), 제1_2 도선(231_1), 제2_1 도선(211_2), 제2_2 도선(231_2)을 포함할 수 있다. 한편, 도 2에 도시되지는 않았으나, 도선들(211_1, 231_1, 211_2, 231_2)이 측정하고자 하는 액체와 직접 접촉되지 않도록, 도선들(211_1, 231_1, 211_2, 231_2)과 제1, 2 커버부(400_1, 400_2)를 덮는 포장부가 더 구비될 수 있다.
도 8 및 도 9에서는 제1 금속 구조체(200_1)와 제2 금속 구조체(200_2)의 구조를 명확히 보여주기 위해 제1 자성체(300_1), 제2 자성체(300_2), 제1 커버부(400_1), 제2 커버부(400_2)를 생략하고 도시하였다.
본 실시예에 따른 마이크로 프로브는 실리콘을 기반으로 하는 MEMS 공정을 이용하여 제작될 수 있다. 마이크로 프로브의 크기는 예컨대 길이 방향으로 1 내지 6㎜, 두께 방향으로 10 내지 100㎛, 폭 방향으로 50 내지 500㎛일 수 있으나, 필요에 따라 이보다 작거나 크게 제작될 수 있음은 물론이다.
기판(100)은 그 위에 제1 금속 구조체(200_1), 제2 금속 구조체(200_2), 제1 자성체(300_1), 제2 자성체(300_2), 제1 커버부(400_1), 제2 커버부(400_2), 제1_1 도선(211_1), 제1_2 도선(231_1), 제2_1 도선(211_2), 제2_2 도선(231_2) 등이 설치되기 위한 것으로, 예컨대 실리콘으로 제작될 수 있다. 마이크로 프로브가 식물체에 용이하게 삽입될 수 있도록, 기판(100)은 단부가 예리하게 형성된 선부(110)와 그 반대 측의 후부(120)로 이루어질 수 있다.
제1 금속 구조체(200_1)는 기판(100)의 일면(도면들을 기준으로는 상면)에 설치되고, 기판(100)의 일면과 수직 방향의 제1 중공(240_1)을 가진다. 제2 금속 구조체(200_2)는 제1 금속 구조체(200_1)의 일측에 위치하도록 기판(100)의 일면에 설치되고, 제1 금속 구조체(200_1)와 마찬가지로 기판(100)의 일면과 수직 방향의 제2 중공(240_2)을 가진다. 제1 금속 구조체(200_1)와 제2 금속 구조체(200_2)는 예컨대 구리, 백금, 티타늄 등의 재질을 포함할 수 있다.
제1 금속 구조체(200_1)는 교류 전류가 인가되기 위한 것으로 기능상 도 1의 제1 환형 코일(10_1)에 대응되며, 제2 금속 구조체(200_2)는 유도 전류가 유도되기 위한 것으로 기능상 도 1의 제2 환형 코일(10_2)에 대응된다. 그러나 이와 반대로 제2 금속 구조체(200_2)를 교류 전류가 인가되기 위한 것으로 삼고 제1 금속 구조체(200_1)를 유도 전류가 유도되기 위한 것으로 삼을 수도 있다.
한편 수액 유속 측정을 위하여, 제1 금속 구조체(200_1)의 적어도 일부는 (만일 제2 금속 구조체(200_2)를 상기 교류 전류가 인가되기 위한 것으로 삼는다면 제2 금속 구조체(200_2)의 적어도 일부가) 발열 저항체로 이루어질 수 있다. 발열 저항체는 예컨대, 금(Au), 백금(Pt), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd) 및 이들의 조합들 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 제1 금속 구조체(200_1)의 발열 저항체에 전류가 인가되면 발열 저항체는 가열되고 이때 발생되는 열은 수액의 흐름에 의해 수액 흐름 방향으로 이동된다. 이로 인해 발열 저항체는 수액에 열을 빼앗겨 온도가 변화하고, 온도가 변화함에 따라 발열 저항체의 저항이 변화하게 된다. 따라서 발열 저항체의 저항 변화, 즉 제1 금속 구조체(200_1)의 저항 변화를 측정하면 온도 변화를 산출할 수 있고, 온도 변화에 기초하여 수액의 유속을 알아낼 수 있다.
기판(100)에는, 제1 금속 구조체(200_1)의 제1 중공(240_1)과 연통하는 제1 관통홀(130_1)이 형성되고, 제1 관통홀(130_1)의 일측에는 제2 금속 구조체(200_2)의 제2 중공(240_2)과 연통하는 제2 관통홀(130_2)이 형성된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 금속 구조체(200_1)는, 기판(100)의 일면에 설치되는 중공형의 제1_1 플레이트(210_1)와, 제1_1 플레이트(210_1)에 대향하여 배치되는 중공형의 제1_2 플레이트(230_1)와, 제1_1 플레이트(210_1)의 내측 가장자리로부터 제1_2 플레이트(230_1)의 내측 가장자리로 연장되는 중공형의 제1 기둥(220_1)으로 이루어진다. 전술한 바와 같이 제1 금속 구조체(200_1)의 적어도 일부는 발열 저항체로 이루어는 바, 제1_1 플레이트(210_1), 제1_2 플레이트(230_1), 제1 기둥(220_1) 중 적어도 하나가 발열 저항체로 이루어질 수 있다. 또한 제1_1 플레이트(210_1), 제1_2 플레이트(230_1), 제1 기둥(220_1)의 면적이나 두께를 설정하는 것을 통해 발열과 저항을 조절할 수 있다. 예컨대 그 두께를 얇게 형성함으로써 발열과 저항을 크게 할 수 있다.
제2 금속 구조체(200_2) 역시 제1 금속 구조체(200_1)와 동일한 형태로서, 제1_1 플레이트(210_1)의 일측에 위치하도록 기판(100)의 일면에 설치되는 중공형의 제2_1 플레이트(210_2)와, 제2_1 플레이트(210_2)에 대향하여 배치되는 중공형의 제2_2 플레이트(230_2)와, 제2_1 플레이트(210_2)의 내측 가장자리로부터 제2_2 플레이트(230_2)의 내측 가장자리로 연장되는 중공형의 제2 기둥(220_2)으로 이루어진다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제1_1 도선(211_1), 제1_2 도선(231_1), 제2_1 도선(211_2), 및 제2_2 도선(231_2)은 기판(100)의 일면에 설치되어 각각 제1_1 플레이트(210_1), 제1_2 플레이트(230_1), 제2_1 플레이트(210_2), 및 제2_2 플레이트(230_2)에 연결된다. 여기서 제1_1 도선(211_1)은 제1_1 플레이트(210_1)의 외측 가장자리에 연결되고(도 9 참조), 제1_2 도선(231_1)은 제1_2 플레이트(230_1)의 외측 가장자리에 연결되고(도 8 참조), 제2_1 도선(211_2)은 제2_1 플레이트(210_2)의 외측 가장자리에 연결되고(도 9 참조), 제2_2 도선(231_2)은 제2_2 플레이트(230_2)의 외측 가장자리에 연결된다(도 8 참조).
도 4 내지 7을 참조하면, 제1 자성체(300_1)는 제1 금속 구조체(200_1)의 제1_1 플레이트(210_1)와 제1_2 플레이트(230_1) 사이에 배치되고, 중공(310_1)을 가져 제1 금속 구조체(200_1)의 제1 기둥(220_1)을 둘러싸는 링 형태로 형성된다. 제2 자성체(300_2)는 제2 금속 구조체(200_2)의 제2_1 플레이트(210_2)와 제2_2 플레이트(230_2) 사이에 배치되고, 중공(310_2)을 가져 제2 금속 구조체(200_2)의 제2 기둥(220_2)을 둘러싸는 링 형태로 형성된다.
제1 커버부(400_1)와 제2 커버부(400_2)는 제1 금속 구조체(200_1)와 제2 금속 구조체(200_2)가 액체와 접촉하는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로, 예컨대 실리콘이나 파릴렌(parylene) 등의 절연 재질로 이루어질 수 있다.
도 2 내지 7을 참조하면, 제1 커버부(400_1)는 제1 금속 구조체(200_1)와 제1 자성체(300_1)를 커버하도록 기판(100)의 일면에 설치되고, 제2 커버부(400_2)는 제2 금속 구조체(200_2)와 제2 자성체(300_2)를 커버하도록 기판(100)의 일면에 설치된다.
도 4 내지 7을 참조하면, 제1 커버부(400_1)에는, 내측에 제1 금속 구조체(200_1) 및 제1 자성체(300_1)를 수용하는 링 형태의 제1 수용공간(430_1)이 형성되고, 제1 수용공간(430_1)의 중앙부에는 제1 금속 구조체(200_1)의 제1 중공(240_1)에 삽입되는 제3 기둥(420_1)이 형성되는데, 제3 기둥(420_1)은 기판(100)의 제1 관통홀(130_1)과 연통하는 제3 중공(410_1)을 가진다. 따라서 제3 기둥(420_1)의 제3 중공(410_1)은 제1 금속 구조체(200_1)의 제1 중공(240_1)의 내측에 위치하게 된다.
제2 커버부(400_2)에는, 내측에 제2 금속 구조체(200_2) 및 제2 자성체(300_2)를 수용하는 링 형태의 제2 수용공간(430_2)이 형성되고, 제2 수용공간(430_2)의 중앙부에는 제2 금속 구조체(200_2)의 제2 중공(240_2)에 삽입되는 제4 기둥(420_2)이 형성되는데, 제4 기둥(420_2)은 기판(100)의 제2 관통홀(130_2)과 연통하는 제4 중공(410_2)을 가진다. 따라서 제4 기둥(420_2)의 제4 중공(410_2)은 제2 금속 구조체(200_2)의 제2 중공(240_2)의 내측에 위치하게 된다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수액의 전기 전도도 및 유속 측정 장치는, 상술한 바와 같은 마이크로 프로브와, 구동부(510), 검출부(520), 전기 전도도 산출부(530), 저항 변화 측정부(610), 및 수액 유속 산출부(620)를 포함할 수 있다.
도 10은 제1 금속 구조체(200_1)에 교류 전류가 인가됨에 따라 제2 금속 구조체(200_2)에 유도 전류가 유도되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 8 내지 10을 참조하면, 구동부(510)는 제1_1 도선(211_1) 및 제1_2 도선(231_1)을 통해 제1 금속 구조체(200_1)의 제1_1 플레이트(210_1)와 제1_2 플레이트(230_1) 사이에 교류 전류(iOSC)를 인가한다. 교류 전류(iOSC)는 제1_1 플레이트(210_1)와 제1_2 플레이트(230_1)에서는 바깥쪽에서 안쪽으로(혹은 안쪽에서 바깥쪽으로), 제1 기둥(220_1)에서는 수직으로 흐르게 된다. 따라서 제1 금속 구조체(200_1)에는 도 10과 같은 형태의 전류 흐름이 발생하고, 이 전류 흐름에 의해 제1 자성체(300_1) 내에는 링 형태의 교류 자기장이 생성된다. 이 교류 자기장은 제1 금속 구조체(200_1)의 제1 중공(240_1)을 통과하는(보다 정확하게는 제1 커버부(400_1)의 제3 중공(410_1)을 통과하는) 전류(iG)를 발생시키며, 이 전류(iG)의 일부는 제2 금속 구조체(200_2)의 제2 중공(240_2)(보다 정확하게는 제2 커버부(400_2)의 제4 중공(410_2))을 통해, 기판(100)의 제2 관통홀(130_2)과 제1 관통홀(130_1)을 통과하여, 루프 전류를 형성한다.
제2 금속 구조체(200_2)의 제2 중공(240_2)을 통과하는 전류(iG)로 인해 제2 자성체(300_2)에는 링 형태의 자기장이 생성되고, 이 자기장으로 인해 제2 금속 구조체(200_2)에는 유도 전류(iIND)가 유도된다. 이 유도 전류(iIND) 역시 도 10과 같이 제2_1 플레이트(210_2)와 제2_2 플레이트(230_2)에서는 바깥쪽에서 안쪽으로(혹은 안쪽에서 바깥쪽으로), 제1 기둥(220_1)에서는 수직으로 흐르는 형태의 전류 흐름을 형성한다. 따라서 제2_1 플레이트(210_2) 및 제2_2 플레이트(230_2)와 각각 연결된 제2_1 도선(211_2) 및 제2_2 도선(231_2)을 통해 유도 전류(iIND)가 흐르게 된다.
검출부(520)는 제2_1 도선(211_2) 및 제2_2 도선(231_2)을 통해 유도 전류(iIND)를 검출한다. 예컨대 검출부(520)는 저항을 구비하여 저항 양단의 전압을 측정함으로써 유도 전류(iIND)를 검출할 수 있고, 필요에 따라 전압을 증폭할 수도 있다. 전류(iG)의 크기는 액체의 전기 전도도에 비례하므로, 이로 인한 유도 전류(iIND) 역시 액체의 전기 전도도에 비례하게 된다. 따라서 전기 전도도 산출부(530)는 유도 전류(iIND)와 전기 전도도의 상관관계를 이용하여 전기 전도도를 산출한다.
한편 제1 금속 구조체(200_1)에 인가되는 교류 전류(iOSC)에 의해 제1 금속 구조체(200_1)의 발열 저항체는 가열되고, 발열 저항체는 수액에 열을 빼앗겨 온도가 변화함에 따라 저항이 변화하게 된다. 저항 변화 측정부(610)는 제1_1 도선(211_1) 및 제1_2 도선(231_1)을 통해 제1 금속 구조체(200_1)의 저항 변화를 측정한다. 그러면 수액 유속 산출부(620)는 측정된 저항 변화를 기초로 온도 변화를 산출하고, 온도 변화에 기초하여 수액 유속을 산출한다.
본 실시예에 따른 마이크로 프로브는 실리콘을 기반으로 하는 MEMS 공정을 이용하여 제작될 수 있다. 예컨대 도 7을 참조하면, 먼저 실리콘으로 이루어지는 기판(100)에 제1 관통홀(130_1)과 제2 관통홀(130_2)을 형성하고, 기판(100)에 제1_1 플레이트(210_1)와 제2_1 플레이트(210_2)를 패터닝하고, 그 위에 제1 자성체(300_1)와 제2 자성체(300_2)를 형성하고, 그 다음 제1 자성체(300_1)와 제2 자성체(300_2) 각각의 윗면과 내주연에 걸쳐 제1_2 플레이트(230_1), 제1 기둥(220_1), 제2_2 플레이트(230_2), 제2 기둥(220_2)을 형성하고, 그 다음 제1 금속 구조체(200_1)와 제1 자성체(300_1) 및 제2 금속 구조체(200_2)와 제2 자성체(300_2)를 각각 덮도록 제1 커버부(400_1) 및 제2 커버부(400_2)를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예는 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 집적 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 실시예는 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 실시예는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
실시예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 기판
130_1 : 제1 관통홀 130_2 : 제2 관통홀
200_1 : 제1 금속 구조체 210_1 : 제1_1 플레이트
220_1 : 제1 기둥 230_1 : 제1_2 플레이트
240_1 : 제1 중공 200_2 : 제2 금속 구조체
210_2 : 제2_1 플레이트 220_2 : 제2 기둥
230_2 : 제2_2 플레이트 240_2 : 제2 중공
211_1 : 제1_1 도선 231_1 : 제1_2 도선
211_2 : 제2_1 도선 231_2 : 제2_2 도선
300_1 : 제1 자성체 300_2 : 제2 자성체
400_1 : 제1 커버부 410_1 : 제3 중공
420_1 : 제3 기둥 400_2 : 제2 커버부
410_2 : 제4 중공 420_2 : 제4 기둥

Claims (9)

  1. 식물 수액의 전기 전도도 및 유속 측정 장치로서,
    전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브를 포함하고,
    상기 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브는,
    기판;
    상기 기판의 일면에 설치되고, 제1 중공을 가지는 제1 금속 구조체; 및
    상기 제1 금속 구조체의 일측에 위치하도록 상기 기판의 일면에 설치되고, 제2 중공을 가지는 제2 금속 구조체를 포함하고,
    상기 기판에는, 상기 제1 중공과 연통하는 제1 관통홀 및 상기 제2 중공과 연통하는 제2 관통홀이 형성되고,
    상기 제1 금속 구조체의 적어도 일부는 발열 저항체로 이루어지고,
    상기 제1 금속 구조체는, 상기 기판의 일면에 설치되는 중공형의 제1_1 플레이트와, 상기 제1_1 플레이트에 대향하여 배치되는 중공형의 제1_2 플레이트와, 상기 제1_1 플레이트의 내측 가장자리로부터 상기 제1_2 플레이트의 내측 가장자리로 연장되는 중공형의 제1 기둥으로 이루어지고,
    상기 제2 금속 구조체는, 상기 제1_1 플레이트의 일측에 위치하도록 상기 기판의 일면에 설치되는 중공형의 제2_1 플레이트와, 상기 제2_1 플레이트에 대향하여 배치되는 중공형의 제2_2 플레이트와, 상기 제2_1 플레이트의 내측 가장자리로부터 상기 제2_2 플레이트의 내측 가장자리로 연장되는 중공형의 제2 기둥으로 이루어지고,
    상기 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브는,
    상기 제1_1 플레이트와 상기 제1_2 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제1 기둥을 둘러싸는 링 형태의 제1 자성체; 및
    상기 제2_1 플레이트와 상기 제2_2 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제2 기둥을 둘러싸는 링 형태의 제2 자성체를 더 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체에 교류 전류를 인가하는 구동부;
    상기 교류 전류에 의하여 상기 수액 내에서 상기 제1 중공, 상기 제2 중공, 상기 제2 관통홀, 상기 제1 관통홀을 통과하는 전류가 발생하면, 상기 발생된 전류에 의하여 상기 제2 금속 구조체에 유도되는 유도 전류를 검출하는 검출부;
    상기 검출된 유도 전류를 기초로 전기 전도도를 산출하는 전기 전도도 산출부;
    상기 제1 금속 구조체의 저항 변화를 측정하는 저항 변화 측정부; 및
    상기 측정된 저항 변화를 기초로 수액 유속을 산출하는 수액 유속 산출부를 더 포함하는 전기 전도도 및 유속 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브는,
    상기 제1 금속 구조체 및 상기 제1 자성체를 커버하도록 상기 기판의 일면에 설치되는 제1 커버부; 및
    상기 제2 금속 구조체 및 상기 제2 자성체를 커버하도록 상기 기판의 일면에 설치되는 제2 커버부를 더 포함하는 전기 전도도 및 유속 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 커버부에는, 내측에 상기 제1 금속 구조체 및 상기 제1 자성체를 수용하는 링 형태의 제1 수용공간이 형성되고, 상기 제1 수용공간의 중앙부에는, 상기 제1 중공에 삽입되고, 상기 제1 관통홀과 연통하는 제3 중공을 가지는 제3 기둥이 형성되고,
    상기 제2 커버부에는, 내측에 상기 제2 금속 구조체 및 상기 제2 자성체를 수용하는 링 형태의 제2 수용공간이 형성되고, 상기 제2 수용공간의 중앙부에는, 상기 제2 중공에 삽입되고, 상기 제2 관통홀과 연통하는 제4 중공을 가지는 제4 기둥이 형성되는 전기 전도도 및 유속 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기 전도도 및 유속 측정용 마이크로 프로브는,
    상기 제1_1 플레이트에 연결되는 제1_1 도선;
    상기 제1_2 플레이트에 연결되는 제1_2 도선;
    상기 제2_1 플레이트에 연결되는 제2_1 도선; 및
    상기 제2_2 플레이트에 연결되는 제2_2 도선을 더 포함하는 전기 전도도 및 유속 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1_1 도선은 상기 제1_1 플레이트의 외측 가장자리에 연결되고,
    상기 제1_2 도선은 상기 제1_2 플레이트의 외측 가장자리에 연결되고,
    상기 제2_1 도선은 상기 제2_1 플레이트의 외측 가장자리에 연결되고,
    상기 제2_2 도선은 상기 제2_2 플레이트의 외측 가장자리에 연결되는 전기 전도도 및 유속 측정 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제1_1 도선 및 상기 제1_2 도선을 통해 상기 제1 금속 구조체에 상기 교류 전류를 인가하고,
    상기 검출부는 상기 제2_1 도선 및 상기 제2_2 도선을 통해 상기 유도 전류를 검출하는 전기 전도도 및 유속 측정 장치.
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