[发明专利]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

说明书

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。

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。