特許 7539165 維管束液計測センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-15

(45)【発行日】2024-08-23

(54)【発明の名称】維管束液計測センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20240816BHJP

   G01N 27/414 20060101ALI20240816BHJP

   A01G 7/00 20060101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

G01N27/416 353Z

G01N27/414 301Z

A01G7/00 603

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021551706

(86)(22)【出願日】2020-10-08

(86)【国際出願番号】 JP2020038182

(87)【国際公開番号】W WO2021070913

(87)【国際公開日】2021-04-15

【審査請求日】2023-08-18

(31)【優先権主張番号】P 2019186455

(32)【優先日】2019-10-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】304028346

【氏名又は名称】国立大学法人 香川大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001704

【氏名又は名称】弁理士法人山内特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】下川 房男

(72)【発明者】

【氏名】石田 一馬

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０７９１８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭５９－１７１８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０３－５０３６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７４０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１１３４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１４５８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５２５１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 ONO, Akio et al.，Highly pure phloem-sap-extraction sensor device for direct component analysis of nutrition in plant，2017 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS),，2017年，pp. 1604-1607，doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2017.7994369.

【文献】 ONO, Akio et al.，Microscale phloem sap extraction sensor device for measuring biological information in plant branche，2016 IEEE SENSORS, Orlando, FL，2016年，pp. 1-3，doi: 10.1109/ICSENS.2016.7808532.

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

Ｇ０１Ｎ ２７／４１４

Ａ０１Ｇ ７／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン感応性電界効果トランジスタからなる指示電極が設けられた指示電極プローブと、
電気伝導体で形成された基層と、該基層の表面に形成された塩化銀層と、該塩化銀層の表面に形成された塩化物層とからなる固体参照電極が設けられた参照電極プローブと、
前記指示電極プローブおよび前記参照電極プローブを平行に並べた状態で支持する支持部と、を備え、
前記塩化物層は、ガラスペーストと塩化カリウムとを１：０．０５～０．２５の重量比で混合して固化したものである
ことを特徴とする維管束液計測センサ。

【請求項2】

所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブを備え、
前記電気伝導率プローブは前記支持部に支持されている
ことを特徴とする請求項１記載の維管束液計測センサ。

【請求項3】

前記電気伝導率電極対は、セル定数が５００～２，０００ｍ^-1である
ことを特徴とする請求項２記載の維管束液計測センサ。

【請求項4】

イオン感応性電界効果トランジスタからなる指示電極が設けられた指示電極プローブと、
電気伝導体で形成された基層と、該基層の表面に形成された塩化銀層と、該塩化銀層の表面に形成された塩化物層とからなる固体参照電極が設けられた参照電極プローブと、
所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブと、
前記指示電極プローブ、前記参照電極プローブおよび前記電気伝導率プローブを平行に並べた状態で支持する支持部と、を備え、
前記一対の電極は、それぞれ、プローブ表面に形成された凸部を覆う金属層からなる
ことを特徴とする維管束液計測センサ。

【請求項5】

前記一対の電極は、前記電気伝導率プローブの幅方向に沿って並んで配置されている
ことを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載の維管束液計測センサ。

【請求項6】

前記一対の電極は、前記電気伝導率プローブの軸方向に沿って並んで配置されている
ことを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載の維管束液計測センサ。

【請求項7】

温度センサが設けられた温度プローブを備え、
前記温度プローブは前記支持部に支持されている
ことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の維管束液計測センサ。

【請求項8】

前記指示電極、前記固体参照電極および前記電気伝導率電極対は、植物への突き刺し方向に同位置に配置されている
ことを特徴とする請求項２記載の維管束液計測センサ。

【請求項9】

前記指示電極および前記固体参照電極と、前記電気伝導率電極対とは、植物への突き刺し方向に異なる位置に配置されており、
前記指示電極および前記固体参照電極を前記植物の師管に配置した状態において、前記電気伝導率電極対が該植物の道管に配置される
ことを特徴とする請求項２記載の維管束液計測センサ。

【請求項10】

温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブと、
温度センサが設けられた温度プローブと、を備え、
前記ヒータ付温度プローブおよび前記温度プローブは前記支持部に支持されている
ことを特徴とする請求項１または２記載の維管束液計測センサ。

【請求項11】

前記温度プローブを２つ備え、
２つの前記温度プローブは、前記ヒータ付温度プローブを挟む位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１０記載の維管束液計測センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、維管束液計測センサに関する。さらに詳しくは、本発明は、植物の維管束液のｐＨなどの測定に用いられる維管束液計測センサに関する。

【背景技術】

【0002】

作物、果樹の生産においては、生産性の観点から植物の生育状態に合わせて適切な時期に灌水と養分補給を行なうことが望まれる。しかし、多くの農業現場では、無降雨日数などに基づき、経験と勘によって灌水と養分補給を行なっているのが現状である。このような経験に依存した方法は、熟練が必要であり手間と時間がかかる。また、基準となる指標が個人的な経験であるため、誰もが簡便に実施することは難しい。

【0003】

近年、スマートアグリなど、情報技術を農業に導入する動きが活発になっている。情報技術により、人に依存することなく、植物の生物学的情報に基づいて、最適な生産が行なわれることが期待されている。

【0004】

例えば、非特許文献１には土壌のｐＨを測定することが開示されている。土壌のｐＨは作物の状態・健全性の確認に用いられる。また、非特許文献２には土壌の電気伝導率を測定することが開示されている。電気伝導率から土壌に含まれる栄養成分の濃度を推定できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】二川、他、「半導体型ｐＨセンサによる低水分量土壌リアルタイムｐＨ計測に関する研究」、電気学会論文誌Ｅ、Vol.138 No.9 pp.417-422、２０１８年

【文献】川嶋、他、「挿入型農業用センサを利用したトマト培地のＥＣ測定」、電気学会論文誌Ｅ、Vol.131 No.6 pp.211-217、２０１１年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

現状では、非特許文献１、２に開示されていように土壌のｐＨおよび電気伝導率を測定するなど、植物を取り囲む環境を監視することが一般的である。しかし、植物の生体情報を直接測定できれば、作物、果樹の生産をより最適化できる。

【0007】

また、植物の生育には水分と栄養物質のバランスが重要である。例えば、水分に比べて栄養物質が多すぎると、植物に水分が取り込まれず、肥料焼けとなる。そのため、植物の水分動態を測定することも重要である。

【0008】

本発明は上記事情に鑑み、以下の（１）～（３）のいずれか一または複数を目的とする。
（１）植物の維管束液のｐＨを直接測定できる維管束液計測センサを提供する。
（２）植物の維管束液の電気伝導率を直接測定できる維管束液計測センサを提供する。
（３）植物の維管束液の動態を直接測定できる維管束液計測センサを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

第１態様の維管束液計測センサは、イオン感応性電界効果トランジスタからなる指示電極が設けられた指示電極プローブと、電気伝導体で形成された基層と、該基層の表面に形成された塩化銀層と、該塩化銀層の表面に形成された塩化物層とからなる固体参照電極が設けられた参照電極プローブと、前記指示電極プローブおよび前記参照電極プローブを平行に並べた状態で支持する支持部と、を備え、前記塩化物層は、ガラスペーストと塩化カリウムとを１：０．０５～０．２５の重量比で混合して固化したものであることを特徴とする。
第２態様の維管束液計測センサは、第１態様において、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブを備え、前記電気伝導率プローブは前記支持部に支持されていることを特徴とする。
第３態様の維管束液計測センサは、第２態様において、前記電気伝導率電極対は、セル定数が５００～２，０００ｍ^-1であることを特徴とする。
第４態様の維管束液計測センサは、イオン感応性電界効果トランジスタからなる指示電極が設けられた指示電極プローブと、電気伝導体で形成された基層と、該基層の表面に形成された塩化銀層と、該塩化銀層の表面に形成された塩化物層とからなる固体参照電極が設けられた参照電極プローブと、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブと、前記指示電極プローブ、前記参照電極プローブおよび前記電気伝導率プローブを平行に並べた状態で支持する支持部と、を備え、前記一対の電極は、それぞれ、プローブ表面に形成された凸部を覆う金属層からなることを特徴とする。
第５態様の維管束液計測センサは、第２～第４態様のいずれかにおいて、前記一対の電極は、前記電気伝導率プローブの幅方向に沿って並んで配置されていることを特徴とする。
第６態様の維管束液計測センサは、第２～第４態様のいずれかにおいて、前記一対の電極は、前記電気伝導率プローブの軸方向に沿って並んで配置されていることを特徴とする。
第７態様の維管束液計測センサは、第１～第６態様のいずれかにおいて、温度センサが設けられた温度プローブを備え、前記温度プローブは前記支持部に支持されていることを特徴とする。
第８態様の維管束液計測センサは、第２態様において、前記指示電極、前記固体参照電極および前記電気伝導率電極対は、植物への突き刺し方向に同位置に配置されていることを特徴とする。
第９態様の維管束液計測センサは、第２態様において、前記指示電極および前記固体参照電極と、前記電気伝導率電極対とは、植物への突き刺し方向に異なる位置に配置されており、前記指示電極および前記固体参照電極を前記植物の師管に配置した状態において、前記電気伝導率電極対が該植物の道管に配置されることを特徴とする。
第１０態様の維管束液計測センサは、第１または第２態様において、温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブと、温度センサが設けられた温度プローブと、を備え、前記ヒータ付温度プローブおよび前記温度プローブは前記支持部に支持されていることを特徴とする。
第１１態様の維管束液計測センサは、第１０態様において、前記温度プローブを２つ備え、２つの前記温度プローブは、前記ヒータ付温度プローブを挟む位置に設けられていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

第１態様によれば、指示電極プローブおよび参照電極プローブを植物に突き刺すことで、植物の維管束液のｐＨを測定できる。また、ガラスペーストと塩化カリウムとを１：０．０５～０．２５の重量比で混合することで、密着性が良く、ガラスペーストが溶解しづらい塩化物層が得られる。
第２態様によれば、電気伝導率プローブを植物に突き刺すことで、植物の維管束液の電気伝導率を測定できる。
第３態様によれば、電気伝導率電極対のセル定数が５００～２，０００ｍ^-1であるので、維管束液の電気伝導率を精度良く測定できる。
第４態様によれば、電極を立体形状とすることで電極表面積を広くできる。これにより、電気伝導率電極対を植物に挿入できるサイズとしつつ、セル定数を小さくできる。
第５態様によれば、一対の電極が電気伝導率プローブの幅方向に沿って並んで配置されているので、電気伝導率プローブを植物に突き刺す際の抵抗を比較的小さくできる。
第６態様によれば、一対の電極が電気伝導率プローブの軸方向に沿って並んで配置されているので、電気伝導率プローブを植物に突き刺したときに、一対の電極の間隙が維管束に沿う状態となり、維管束液が通りやすくなる。
第７態様によれば、温度プローブにより測定した維管束液の温度に基づきｐＨ測定値の温度補償をすることで、維管束液のｐＨを精度良く測定できる。または、温度プローブにより測定した維管束液の温度に基づき電気伝導率測定値の温度補償をすることで、維管束液の電気伝導率を精度良く測定できる。
第８態様によれば、指示電極、固体参照電極および電気伝導率電極対が植物への突き刺し方向に同位置に配置されているので、植物の師管液または道管液のｐＨおよび電気伝導率を同時に測定できる。
第９態様によれば、指示電極および固体参照電極が師管に配置され、電気伝導率電極対が道管に配置されるので、師管液のｐＨを測定しつつ、道管液の電気伝導率を測定できる。
第１０態様によれば、ヒータ付温度プローブおよび温度プローブに設けられた温度センサの測定値から維管束液の流量を求めることができる。
第１１態様によれば、２つの温度プローブで測定された温度を比較することで、維管束液の流れる方向を特定できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る維管束液計測センサの平面図である。

【図2】第１実施形態に係る維管束液計測センサの側面図である。

【図3】固体参照電極の縦断面図である。

【図4】第１実施形態に係る維管束液計測センサの使用状態説明図である。

【図5】ｐＨ測定原理を示す模式図である。

【図6】第２実施形態に係る維管束液計測センサの平面図である。

【図7】電気伝導率電極対の斜視図である。

【図8】他の形態の電気伝導率電極対の斜視図である。

【図9】第２実施形態に係る維管束液計測センサの使用状態説明図である。

【図10】セル定数Ｋと電気伝導率の測定レンジとの関係を示すグラフである。

【図11】第３実施形態に係る維管束液計測センサの平面図である。

【図12】第４実施形態に係る維管束液計測センサの平面図である。

【図13】図（Ａ）は試料１の出力電位の時間変化を示すグラフである。図（Ｂ）は試料２の出力電位の時間変化を示すグラフである。

【図14】イオン感応性電界効果トランジスタのゲート－ソース間電圧Ｖgsとドレイン電流Ｉdとの関係を示すグラフである。

【図15】塩化カリウム水溶液の濃度と電気伝導率測定値との関係を示すグラフである。

【図16】気象器内の光量と、センサにより測定された電気伝導率の時間変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る維管束液計測センサ１は、植物の新梢末端、果柄など、植物の細部に取り付けることができる。維管束液計測センサ１は植物の細部における維管束液のｐＨを測定する機能を有する。

【0013】

（維管束液計測センサ）
まず、維管束液計測センサ１の構成を説明する。
図１に示すように、維管束液計測センサ１は支持部１０を備えている。支持部１０には、指示電極プローブ２０、参照電極プローブ３０および温度プローブ４０が設けられている。指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０は対となって維管束液のｐＨ測定に用いられる。温度プローブ４０は維管束液の温度測定に用いられる。維管束液の温度はｐＨ測定値の温度補償に用いられる。したがって、温度補償の必要がない場合などには、維管束液計測センサ１に温度プローブ４０を設けなくてもよい。

【0014】

プローブ２０、３０、４０は、それらを同一平面内で平行に並べた状態で、その基端が支持部１０に支持されている。プローブ２０、３０、４０の並び順は特に限定されない。これらのプローブ２０、３０、４０を植物に突き刺すことで、植物に維管束液計測センサ１が設置される

【0015】

支持部１０およびプローブ２０、３０、４０は半導体基板を加工することで形成されている。半導体基板として、シリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板などが挙げられる。半導体基板の加工には、フォトリソグラフィ、エッチングのほか、スパッタ法、蒸着法などの薄膜形成を用いたＭＥＭＳ技術が用いられる。

【0016】

・支持部
支持部１０はプローブ２０、３０、４０を支持する部材である。支持部１０は、平面視長方形の板材であり、片方の長辺部に全てのプローブ２０、３０、４０が支持されている。支持部１０はその長手方向の長さが全てのプローブ２０、３０、４０を所定の間隔で配置できる長さを有していればよい。支持部１０の短手方向の長さは特に限定されない。

【0017】

・プローブ
各プローブ２０、３０、４０は、棒状の部材であり、支持部１０の縁（長辺部）に片持ち梁状に設けられている。各プローブ２０、３０、４０の先端部は三角形など、尖った形に形成されているのが好ましい。プローブ２０、３０、４０の先端部が尖った形であれば、プローブ２０、３０、４０を植物の細部に挿入するときの挿入抵抗を小さくできる。これにより、プローブ２０、３０、４０を植物の細部である茎などにスムーズに突き刺すことができる。また、プローブ２０、３０、４０を植物の細部に突き刺す際にプローブ２０、３０、４０の先端部が破損することを防止できる。

【0018】

各プローブ２０、３０、４０は、植物の新梢末端、果柄など、茎径または軸径が数ｍｍ程度の植物の細部に突き刺して配置できる寸法に形成されている。各プローブ２０、３０、４０の長さ（軸方向に基端から先端までの長さ）は、植物の細部に突き刺して設置した状態において、その先端部が植物の細部の道管または師管に配置され得る寸法に形成されている。例えば、各プローブ２０、３０、４０の長さは５０～１，０００μｍである。

【0019】

各プローブ２０、３０、４０の幅は、特に限定されないが、例えば５０～３００μｍである。プローブ２０、３０、４０の幅が短いほど、植物に与えるダメ－ジ(損傷)を小さくできる。

【0020】

図２に示すように、各プローブ２０、３０、４０は、半導体基板ＳＳの下部を除去することにより、支持部１０の厚さよりも薄く形成されている。各プローブ２０、３０、４０の厚さは測定対象となる植物の師管および道管の幅よりも短く設定されている。各プローブ２０、３０、４０の厚さは測定対象となる植物の種類および茎の太さによるが、例えば５０～３００μｍである。厚さが５０μｍ以上であれば強度が十分であり、プローブ２０、３０、４０を植物の茎などに挿抜する際に折れる恐れがない。また、植物の種類にもよるが道管および師管の太さは１００～４００μｍ程度であるため、厚さが３００μｍ以下であればプローブ２０、３０、４０を道管または師管に刺してもそれらを塞ぐことを抑制できる。

【0021】

このような形状を有するプローブ２０、３０、４０は、例えば、以下の手順で形成される。半導体基板ＳＳにプローブ形状のフォトリソグラフィを行ない、ＩＣＰ－ＲＩＥなどのドライエッチングにより不要部分を除去してプローブ形状の原形を形成する。つぎに、プローブ２０、３０、４０が片持ち梁状になるように、半導体基板ＳＳを裏面からエッチングする。この工程では、ＩＣＰ－ＲＩＥなどのドライエッチングが用いられる。半導体基板ＳＳを裏面からエッチングしていき、プローブ２０、３０、４０が分離された段階でエッチングを終了する。これにより、片持ち梁状のプローブ２０、３０、４０を形成できる。

【0022】

・指示電極プローブ
図１に示すように、指示電極プローブ２０の先端部には指示電極２１が設けられている。指示電極２１はイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）からなる。イオン感応性電界効果トランジスタは、通常の電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)のゲート酸化膜上の金属電極部がなく、その代わりに誘電体などのイオン感応膜が形成されたものである。

【0023】

支持部１０の上面には指示電極２１に配線を介して接続された３つの電極パッド２１ｅが配設されている。３つの電極パッド２１ｅはそれぞれイオン感応性電界効果トランジスタのゲート電極、ソース電極およびドレイン電極に接続されている。

【0024】

イオン感応性電界効果トランジスタは、例えば、以下の手順で形成される。半導体基板上にソースおよびドレインの埋め込み層（ｎ⁺）を拡散工程などにより形成する。つぎに、それらの埋め込み層と接続する金属電極をスパッタ法、蒸着法などにより形成する。つぎに、これらの上部に、ＳｉＯ₂、ＴａＯ_xなどの誘電体膜からなるイオン感応膜（ゲート酸化膜）をスパッタ法などにより形成する。また、電極パッド２１ｅおよび配線は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより半導体基板上にＡｌ薄膜を堆積させることにより形成される。

【0025】

・参照電極プローブ
参照電極プローブ３０の先端部には固体参照電極３１が設けられている。固体参照電極３１は図３に示す構成を有する。すなわち、固体参照電極３１は基層３２、塩化銀層３３および塩化物層３４がこの順に積層された構成を有する。なお、基層３２は支持部１０まで延長されており、固体参照電極３１の読み出し用の配線も構成している（図１参照）。

【0026】

基層３２は、電気伝導体で形成された薄膜であり、参照電極プローブ３０を構成する半導体基板ＳＳの表面に形成されている。基層３２の素材として、Ａｕ、Ａｌなどの金属が好適に用いられる。基層３２は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより半導体基板ＳＳ上に金属薄膜を堆積させることにより形成される。

【0027】

塩化銀層３３は、ＡｇＣｌ薄膜であり、基層３２の表面に形成されている。塩化銀層３３は、例えば、塩化銀インクを基層３２の表面に塗布し、乾燥させることで形成される。塩化銀インクは塩化銀結晶の微粒子を溶媒中に分散させたものである。

【0028】

塩化物層３４は塩化銀層３３の表面に形成されている。塩化物層３４は塩化物を固化材で固化して形成した層である。塩化物として塩化カリウム、塩化ナトリウムなどを用いることができる。固化材は、化学的に安定であり、ｐＨが中性であり、固化した状態で多孔質体であり、電気絶縁性を有する材料であればよい。このような固化材として、ガラスペースト、セラミックの多孔質材料、ポリイミドなどの高分子材料、ポリイミドとシリカからなるナノコンポジットの多孔体材料などが挙げられる。

【0029】

塩化物として塩化カリウムを用い、固化材としてガラスペーストを用いる場合、塩化物層３４は塩化カリウム粉末とガラスペーストとを混合して固化することで形成できる。ガラスペーストはガラス粉末とビークルの混合物である。塩化カリウム粉末とガラスペーストとを所定の割合で混合し、混合物を塩化銀層３３の表面に塗布した後、焼成することで、塩化物層３４が形成される。

【0030】

ここで、ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を、ガラスペースト１に対して塩化カリウム０．０５～０．２５とすることが好ましい。ガラスペーストと塩化カリウムとを１：０．０５～０．２５の重量比で混合することで、密着性が良く、ガラスペーストが溶解しづらい塩化物層３４が得られる。また、ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を、ガラスペースト１に対して塩化カリウム０．０５～０．１０とすることがより好ましい。そうすれば、固体参照電極３１の出力電位が安定する。

【0031】

・温度プローブ
図１に示すように、温度プローブ４０の先端部には温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１は、温度を感知する機能を有しており、温度プローブ４０の先端部に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。温度センサ４１として、ｐｎ接合ダイオード、熱電対、測温抵抗体などを採用できる。また、支持部１０の上面には温度センサ４１に配線を介して接続された２つの電極パッド４１ｅが配設されている。

【0032】

ｐｎ接合ダイオードは酸化拡散炉を用いて半導体基板上に形成できる。具体的には、半導体基板上に拡散用ホール（ｐ形）を形成した後、ｎ拡散（ｎ形）を形成する。つぎに、ｐｎ接合ダイオードのコンタクト形成と、電極パッド４１ｅおよび配線の形成を行なう。具体的には、スパッタ法、蒸着法などにより半導体基板上にＡｌ薄膜を堆積させることで、コンタクト形成と、電極パッド４１ｅおよび配線の形成を行なう。また、熱電対および測温抵抗体は、薄膜技術により半導体基板上に形成できる。

【0033】

温度センサ４１としてｐｎ接合ダイオードを採用した場合、以下の手順で温度測定を行なう。ダイオードの順方向特性は温度によって変化し、ダイオードに一定の電流を流すと温度変化に伴って電圧が変化することが知られている。２つの電極パッド４１ｅ、４１ｅの間には、定電流源が接続される。定電流源でｐｎ接合ダイオードである温度センサ４１に順方向に定電流を供給し、電圧計で温度センサ４１の陽極－陰極間の電圧を測定する。電圧計で測定した電圧から、温度を算出できる。

【0034】

（測定方法）
つぎに、維管束液計測センサ１による維管束液のｐＨの測定方法を説明する。

【0035】

・取り付け
まず、測定対象となる植物の新梢末端、果柄などに、維管束液計測センサ１を取り付ける。具体的には、図４に示すように、維管束液計測センサ１の全てのプローブ２０、３０、４０を植物に突き刺して取り付ける。このとき、植物の道管ＸＹおよび師管ＰＨに沿って、プローブ２０、３０、４０を配置する。

【0036】

プローブ２０、３０、４０を植物に突き刺していくと、プローブ２０、３０、４０の先端部は植物の皮層ＣＯを通り、師管ＰＨに達する。さらに、深く突き刺していくと、プローブ２０、３０、４０の先端部は、道管ＸＹに達し、つぎに髄ＰＩに達する。師管液のｐＨを測定する場合には、プローブ２０、３０、４０の先端部を師管ＰＨに配置する。道管液のｐＨを測定する場合には、プローブ２０、３０、４０の先端部を道管ＸＹに配置する。

【0037】

・ｐＨ測定
図４に示すように、指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０の先端部を師管ＰＨに配置すれば、指示電極２１および固体参照電極３１が共通の師管液と接触する。

【0038】

図５にｐＨ測定原理を模式的に示す。指示電極２１であるＩＳＦＥＴはＭＯＳＦＥＴに似た構造を有している。ＩＳＦＥＴはＭＯＳＦＥＴのゲート電極をイオン感応膜に置き換えた構造を有しており、溶液を介してゲートバイアスを印加している。シリコン（Ｓｉ）のｎ⁺型－ｐ⁺型－ｎ⁺型間の抵抗は７．０ＭΩと非常に高く、通常は微量の電流しか流れない。ゲート部分に溶液が接触すると、溶液内の水素イオン（Ｈ⁺）によりイオン感応膜が正に帯電する。電気二重層により、帯電したイオン感応膜がシリコン内部の電子（ｅ^-）をゲート付近に引き寄せるため、界面電位が生じる。界面電位は溶液のイオン濃度により変化する。そのため、界面電位をドレイン電流－ゲート電圧特性（Ｉd－Ｖgs特性）のＶthシフトとして検出すれば、イオン濃度を測定できる。

【0039】

・温度補償
イオン感応性電界効果トランジスタにより得られたｐＨの測定値は温度に依存することが知られている。溶液の温度によりｐＨあたりの起電力が変化するためである。そのため、ｐＨ測定値を温度補償することが好ましい。温度プローブ４０の先端部を師管ＰＨに配置すれば、温度センサ４１が師管液と接触する。そのため、温度センサ４１により師管液の温度を測定できる。温度プローブ４０により測定した師管液の温度に基づきｐＨ測定値の温度補償をする。これにより、師管液のｐＨを精度良く測定できる。

【0040】

以上のように、維管束液計測センサ１により師管液のｐＨを測定できる。師管液には光合成によって生成されるスクロースなどの栄養物質が含まれる。師管液のｐＨを測定することにより、師管液に含まれる栄養物質を定量化できる。これにより、植物の健康状態を把握できる。

【0041】

なお、プローブ２０、３０、４０の先端部を道管ＸＹに配置すれば、道管液のｐＨを測定できる。師管液にはスクロースなどの光合成産物が含まれているため、道管液に比べてｐＨが高い。具体的には、一般に、道管液のｐＨは約６であるのに対して、師管液のｐＨは約７．５～８である。指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０により測定されたｐＨに基づいて、プローブ２０、３０、４０の先端部が師管ＰＨに配置されているか、道管ＸＹに配置されているかを判断できる。これに基づき、プローブ２０、３０、４０の突き刺し量を調整できる。

【0042】

〔第２実施形態〕
つぎに、本発明の第２実施形態に係る維管束液計測センサ２を説明する。維管束液計測センサ２は、維管束液のｐＨに加え、電気伝導率を測定する機能を有する。

【0043】

（維管束液計測センサ）
図６に示すように、本実施形態の維管束液計測センサ２は第１実施形態の維管束液計測センサ１に電気伝導率プローブ５０を追加したものである。その余の構成は第１実施形態と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。

【0044】

電気伝導率プローブ５０は維管束液の電気伝導率の測定に用いられる。温度プローブ４０で測定された維管束液の温度は電気伝導率測定値の温度補償に用いられる。したがって、温度補償の必要がない場合などには、維管束液計測センサ２に温度プローブ４０を設けなくてもよい。

【0045】

・電気伝導率プローブ
電気伝導率プローブ５０は、その他のプローブ２０、３０、４０とともに、同一平面内で平行に並べた状態で、その基端が支持部１０に支持されている。プローブ２０、３０、４０、５０の並び順は特に限定されない。また、電気伝導率プローブ５０は、その他のプローブ２０、３０、４０と同様の形状、寸法を有する。

【0046】

電気伝導率プローブ５０の先端部には電気伝導率電極対５１が設けられている。電気伝導率電極対５１は所定の間隔を空けて配置された一対の電極５２、５２からなる。電気伝導率電極対５１は電極５２、５２間に存在する維管束液の電気伝導率を測定するためのものである。電極５２は電気伝導率プローブ５０の先端部に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。例えば、Ａｌ薄膜を電極５２として用いることができる。

【0047】

支持部１０の上面には、２つの電極５２に配線を介して接続された２つの電極パッド５２ｅが配設されている。電気伝導率は交流二電極法により測定できる。すなわち、一対の電極５２、５２に対応する一対の電極パッド５２ｅ、５２ｅの間には、交流電源と電流計とが直列に接続される。交流電源で電極５２、５２間に電流を供給し、電流計で電極５２、５２間に流れる電流を測定する。オームの法則の基づき、電流計で測定した電流から、電極５２、５２間の電気抵抗を算出し、電気抵抗から電気伝導率を求める。

【0048】

ところで、一般に、土壌の電気伝導率として植物の育成に適した範囲は０．１～１．５ｍＳ／ｃｍである。土壌の電気伝導率が２．０～５．０ｍＳ／ｃｍであると植物に障害が発生する。また、植物中の維管束液の電気伝導率は、土壌の電気伝導率と同程度か、それよりも大きいと推測される。維管束液の電気伝導率を測定するには、電気伝導率の測定レンジが０．１～１４ｍＳ／ｃｍを含むことが好ましい。

【0049】

交流二電極法において電気伝導率は式（１）で表される。

【数1】

ここで、σは電気伝導率［Ｓ／ｍ］、Ｋはセル定数［ｍ^-1］、Ｒは電極間の電気抵抗［Ω］である。

【0050】

電気伝導率σはセル定数Ｋを測定値である電気抵抗Ｒで除して求められる。そのため、交流二電極法による電気伝導率の測定レンジは、電極対のセル定数Ｋに依存する。

【0051】

図１０のグラフに、セル定数Ｋと電気伝導率の測定レンジとの一般的な関係を示す。図１０のグラフから分かるように、セル定数Ｋが１０，０００ｍ^-1であったとしても、理論上、維管束液の電気伝導率を測定することは可能である。しかし、セル定数Ｋが大きいほど分極の影響により誤差が大きくなる。逆にいえば、セル定数Ｋを小さくするほど、電気伝導率を精度良く測定できる。維管束液の電気伝導率を精度良く測定するには、電気伝導率電極対５１のセル定数Ｋを５００～２，０００ｍ^-1とすることが好ましく、５００～１，０００ｍ^-1とすることがより好ましい。

【0052】

セル定数Ｋは、式（２）に示すように、電極間距離Ｌを電極表面積Ｓで除して求められる。

【数2】

【0053】

セル定数Ｋを５００～２，０００ｍ^-1といった比較的小さい値にするには、電極表面積Ｓを大きくする必要がある。しかし、面積の小さい電気伝導率プローブ５０の先端部に設けられる電極５２を、平面電極のまま表面積を大きくするのには限界がある。

【0054】

そこで、図７に示すように、電極５２を立体形状とすることが好ましい。すなわち、一対の電極５２、５２のそれぞれを、プローブ表面５０Ｓに形成された凸部５３を覆う金属層からなる構成とすればよい。プローブ表面５０Ｓに形成する凸部５３を直方体にすれば、底面を除く５面から電極５２を構成でき、その分表面積を大きくできる。このように、電極５２を立体形状とすることで電極表面積を広くできる。これにより、電気伝導率電極対５１を植物に挿入できるサイズとしつつ、セル定数Ｋを小さくできる。

【0055】

このような立体形状の電極５２は、例えば、以下の手順で形成できる。半導体基板上に電極部分を保護するマスクパターンを形成し、ドライエッチングにより立体電極の基礎となる凸部５３を形成する。つぎに、凸部５３の表面に酸化膜を形成する。つぎに、凸部５３の表面を覆う金属層と、配線および電極パッド５２ｅとを、金属薄膜でパターニングする。

【0056】

なお、図７に示す例では、一対の電極５２、５２が電気伝導率プローブ５０の幅方向に沿って並んで配置されている。このようにすれば、電気伝導率プローブ５０を植物に突き刺す際の抵抗を比較的小さくできる。これに代えて、図８に示すように、一対の電極５２、５２を電気伝導率プローブ５０の軸方向に沿って並べて配置してもよい。このようにすれば、電極５２、５２の間隙が電気伝導率プローブ５０の幅方向に沿って配置される。そのため、電気伝導率プローブ５０を植物に突き刺したときに、電極５２、５２の間隙が維管束に沿う状態となり、維管束液が通りやすくなる。

【0057】

（測定方法）
つぎに、維管束液計測センサ２による維管束液の電気伝導率の測定方法を説明する。

【0058】

図９に示すように、維管束液計測センサ２は、全てのプローブ２０、３０、４０、５０を植物に突き刺して取り付ける。師管液の電気伝導率を測定する場合には、プローブ２０、３０、４０、５０の先端部を師管ＰＨに配置する。道管液の電気伝導率を測定する場合には、プローブ２０、３０、４０、５０の先端部を道管ＸＹに配置する。

【0059】

図９に示すように、電気伝導率プローブ５０の先端部を道管ＸＹに配置すれば、電気伝導率電極対５１が道管液と接触することになる。そのため、電気伝導率電極対５１により道管液の電気伝導率を測定できる。

【0060】

電気伝導率電極対５１により得られた電気伝導率測定値は温度に依存する。一般に、電気伝導率測定値は１℃ごとに１～３％変化する。そのため、電気伝導率測定値を温度補償することが好ましい。温度プローブ４０の先端部を道管ＸＹに配置すれば、温度センサ４１が道管液と接触する。そのため、温度センサ４１により道管液の温度を測定できる。温度プローブ４０により測定した道管液の温度に基づき電気伝導率測定値の温度補償をする。これにより、道管液の電気伝導率を精度良く測定できる。

【0061】

電気伝導率測定値の温度補償は、例えば、以下の手順で行なう。すなわち、式（３）に基づき、電気伝導率測定値を基準温度２５℃での電気伝導率σ₂₅［Ｓ／ｍ］に変換する。ここで、αは温度係数、Ｔは測定対象液の温度［℃］、σは電気伝導率測定値［Ｓ／ｍ］である。

【数3】

【0062】

温度係数αは式（４）から求められる。ここで、Ｔ₁は２５℃およびＴ₂以外の温度［℃］、Ｔ₂は２５℃およびＴ₁以外の温度［℃］、σ₁はＴ₁での電気伝導率測定値［Ｓ／ｍ］、σ₂はＴ₂での電気伝導率測定値［Ｓ／ｍ］である。

【数4】

【0063】

以上のように、維管束液計測センサ２により道管液の電気伝導率を測定できる。土壌に散布された肥料は微生物によって硝酸性窒素などの塩分に分解される。また、塩分濃度と電気伝導率とは正の相関がある。そのため、道管液の電気伝導率を測定することで、植物に取り込まれた栄養物質を定量化できる。

【0064】

なお、電気伝導率プローブ５０の先端部を師管ｐＨに配置すれば、師管液の電気伝導率を測定できる。道管液には硝酸性窒素などの塩分が含まれているため、その他の部分（皮層ＣＯ、師管ＰＨ、髄ＰＩ等）に含まれる水分に比べて電気伝導率が高いという性質を有する。これを利用して、プローブ５０の先端部が師管ＰＨに配置されているか、道管ＸＹに配置されているかを判断できる。これに基づき、プローブ２０、３０、４０、５０の突き刺し量を調整できる。

【0065】

本実施形態の維管束液計測センサ２は、全てのプローブ２０、３０、４０、５０の長さがほぼ同じである。そして、それらのプローブ２０、３０、４０、５０の先端部に設けられた指示電極２１、固体参照電極３１、温度センサ４１および電気伝導率電極対５１は、測定対象となる植物への突き刺し方向（各プローブ２０、３０、４０、５０の軸方向）に、ほぼ同位置に配置されている。そのため、これらの素子２１、３１、４１、５１を同時に師管ＰＨに配置することもできるし、道管ＸＹに配置することもできる。

【0066】

素子２１、３１、４１、５１が植物への突き刺し方向に同位置に配置されていることから、植物の師管液または道管液のｐＨおよび電気伝導率を同時に測定できる。維管束液のｐＨおよび電気伝導率は、それぞれ、植物の育成に適した範囲があると考えられる。維管束液のｐＨが適した範囲から外れると植物が病気になりやすくなる。また、維管束液の電気伝導率が適した範囲から外れると植物の生育に悪影響が出る。維管束液のｐＨと電気伝導率とを同時に測定することで、植物の健康状態を定量的に監視できる。

【0067】

温度プローブ４０で測定された維管束液の温度は、電気伝導率測定値の温度補償にも、ｐＨ測定値の温度補償にも用いられる。

【0068】

なお、維管束液計測センサ２を電気伝導率プローブ５０のみ、あるいは電気伝導率プローブ５０および温度プローブ４０のみを有する構成とし、指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０を設けなくてもよい。このような構成の維管束液計測センサ２であっても、維管束液の電気伝導率を測定できる。

【0069】

〔第３実施形態〕
つぎに、本発明の第３実施形態に係る維管束液計測センサ３を説明する。
図１１に示すように、本実施形態の維管束液計測センサ３は、第２実施形態の維管束液計測センサ２において、電気伝導率プローブ５０を指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０よりも長くしたものである。

【0070】

具体的には、電気伝導率プローブ５０の長さは、指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０の長さよりも、測定対象となる植物の師管ＰＨの中心と道管ＸＹの中心との距離の分だけ長く設定されている。この長さの差は、測定対象となる植物の種類および茎の太さによるが、例えば５０～３００μｍである。

【0071】

プローブ２０、３０、５０の先端部には、それぞれ指示電極２１、固体参照電極３１、電気伝導率電極対５１が配設されている。そのため、指示電極２１および固体参照電極３１と、電気伝導率電極対５１とは、植物への突き刺し方向に異なる位置に配置される。そして、電気伝導率電極対５１は、指示電極２１および固体参照電極３１に比べて、植物のより深い位置に達するよう配置されている。

【0072】

プローブ２０、３０、５０を植物に突き刺し、電気伝導率電極対５１を道管ＸＹに配置した状態とすれば、指示電極２１および固体参照電極３１は師管ＰＨに配置される。換言すれば、電気伝導率電極対５１と指示電極２１および固体参照電極３１との間の距離は、電気伝導率電極対５１を道管ＸＹに配置した状態において、指示電極２１および固体参照電極３１が師管ＰＨに配置されるよう設定される。

【0073】

維管束液計測センサ３はこのような構成を有することから、師管液のｐＨを測定しつつ、道管液の電気伝導率を測定できる。

【0074】

〔第４実施形態〕
つぎに、本発明の第４実施形態に係る維管束液計測センサ４を説明する。維管束液計測センサ４は、維管束液のｐＨ、電気伝導率に加え、水分動態を測定する機能を有する。

【0075】

（維管束液計測センサ）
図１２に示すように、本実施形態の維管束液計測センサ４は第２実施形態の維管束液計測センサ２において、温度プローブ４０を第１温度プローブ４０Ａと第２温度プローブ４０Ｂの２つとし、ヒータ付温度プローブ６０を追加したものである。その余の構成は第２実施形態と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。

【0076】

第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂとヒータ付温度プローブ６０とは組となって維管束液の動態の測定に用いられる。第１温度プローブ４０Ａまたは第２温度プローブ４０Ｂで測定された維管束液の温度は、ｐＨ測定値および電気伝導率測定値の温度補償にも用いられる。

【0077】

第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０は、その他のプローブ２０、３０、５０とともに、同一平面内で平行に並べた状態で、その基端が支持部１０に支持されている。第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂは、ヒータ付温度プローブ６０を挟む位置に設けられている。また、第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０は、その他のプローブ２０、３０、５０と同様の形状、寸法を有する。

【0078】

・温度プローブ
第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂは、それぞれ、第１実施形態の温度プローブ４０と同様の構成を有する。すなわち、第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂは、それぞれ、先端部に温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１により維管束液の温度を測定できる。

【0079】

・ヒータ付温度プローブ
ヒータ付温度プローブ６０の先端部には温度センサ６１が設けられている。温度センサ６１として温度プローブ４０の温度センサ４１と同様のものを採用できる。支持部１０の上面には、温度センサ６１に配線を介して接続された２つの電極パッド６１ｅが配設されている。温度プローブ４０の温度センサ４１と同様の方法で、温度センサ６１により温度を測定できる。

【0080】

また、ヒータ付温度プローブ６０にはヒータ６２が設けられている。ヒータ６２はヒータ付温度プローブ６０に熱を供給できればよく、その位置は先端部に限定されない。ヒータ６２は、ヒータ付温度プローブ６０に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。例えば、酸化拡散炉を用いて形成したｐｎ接合ダイオードをヒータ６２として採用できる。また、Ｐｔ（白金）、ＮｉＣｒ（ニクロム）、またはＩＴＯ（インジウムスズ酸化材料）の薄膜をスパッタ法、蒸着法などにより形成し、所定の形状に加工することで、ヒータ６２を形成してもよい。

【0081】

支持部１０の上面にはヒータ６２に配線を介して接続された２つの電極パッド６２ｅが配設されている。２つの電極パッド６２ｅ、６２ｅの間には、直流定電圧源が接続される。直流定電圧源でｐｎ接合ダイオードであるヒータ６２に順方向に定電圧を供給する。ヒータ６２に電流を流すことで、熱を発することができる。

【0082】

（測定方法）
つぎに、維管束液計測センサ４による維管束液の動態の測定方法を説明する。

【0083】

図１２に示すように、維管束液計測センサ４は、全てのプローブ２０、３０、４０Ａ、４０Ｂ、５０、６０を植物に突き刺して取り付ける。師管液の動態を測定する場合には、第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０の先端部を師管ＰＨに配置する。道管液の動態を測定する場合には、第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０の先端部を道管ＸＹに配置する。

【0084】

以下、師管液の動態を測定する場合を例に説明する。
まず、ヒータ付温度プローブ６０に設けられたヒータ６２を作動させる。ヒータ６２を作動すれば、ヒータ６２から供給された熱エネルギがヒータ付温度プローブ６０に供給される。ヒータ付温度プローブ６０に供給された熱エネルギは、ヒータ付温度プローブ６０の表面から師管ＰＨ内を流れる師管液に放出される。

【0085】

このときの第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０の温度を、温度センサ４１、４１、６１によって測定する。そして、第１温度プローブ４０Ａと第２温度プローブ４０Ｂの温度を比較することで、師管流の方向を特定する。

【0086】

第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂは、ヒータ付温度プローブ６０を挟む位置に設けられている。師管液が植物の末端から根本に向かって流れている場合、根本側に位置する第２温度プローブ４０Ｂは、ヒータ付温度プローブ６０により昇温された師管液により暖められ、末端側の第１温度プローブ４０Ａに比べて温度が高くなる。

【0087】

逆に、師管液が植物の根本から末端に向かって流れている場合、末端側に位置する第１温度プローブ４０Ａは、ヒータ付温度プローブ６０により昇温された師管液により暖められ、根本側の第２温度プローブ４０Ｂに比べて温度が高くなる。

【0088】

すなわち、師管流の方向は、温度の低い温度プローブ４０Ａまたは４０Ｂから温度の高い温度プローブ４０Ｂまたは４０Ａに向かう方向であると特定できる。

【0089】

一般に、道管流は植物の根本から末端に向かう方向であるが、師管流の方向は植物の外形から把握することはできない。しかし、維管束液計測センサ４によれば、師管流の方向を特定できる。

【0090】

つぎに、第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０で測定した温度から、グラニエ法に基づいて師管液の流量を測定する。ここで、第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂのうち温度の低い温度プローブ４０Ａまたは４０Ｂと、ヒータ付温度プローブ６０との温度差を基に計算する。温度の低い温度プローブ４０Ａまたは４０Ｂは、ヒータ付温度プローブ６０よりも師管流の上流側に配置されている。

【0091】

例えば、師管液の流量が多い（流速が速い）場合には、ヒータ付温度プローブ６０の近傍の師管液は、常に新しい師管液に置き換えられた状態となる。そのため、ヒータ付温度プローブ６０に供給する熱エネルギを一定とすれば、ヒータ付温度プローブ６０の温度は低くなる。一方、師管液の流量が少ない（流速が遅い）場合には、ヒータ付温度プローブ６０の近傍の師管液は、滞留したような状態となる。そのため、ヒータ付温度プローブ６０に供給する熱エネルギを一定とすれば、ヒータ付温度プローブ６０の温度は高くなる。

【0092】

したがって、温度プローブ４０Ａまたは４０Ｂとヒータ付温度プローブ６０との間の温度差ΔＴから師管液の流速を求めることができる。具体的には、式（５）に示すように、温度差ΔＴは流速ｕの関数となる。かかる関数に基づけば、温度差ΔＴから流速ｕを算出できる。

【数5】

ここで、ｕは平均流速［ｍ／ｓ］、ΔＴ(ｕ)は平均流速がｕの時の温度プローブ４０とヒータ付温度プローブ６０との温度差［℃］、ΔＴ(０)はΔＴの最大温度［℃］、αとβは観測データから得られる係数である。

【0093】

また、式（６）に基づき、流速ｕから流量Ｆを算出できる。

【数6】

ここで、Ｆは流量［ｍ³／ｓ］、Ｓは道管または師管の断面積［ｍ²］である。

【0094】

なお、第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０の先端部を植物の道管ＸＹに配置すれば、道管流の方向とともに、道管液の流速および流量を求めることができる。また、維管束液計測センサ４は、ヒートパルス法によっても維管束液の流量を測定できる。

【0095】

本実施形態の維管束液計測センサ４は、維管束液の流量とともに、維管束液のｐＨおよび電気伝導率を測定できる。すなわち、植物の水分動態と栄養物質動態とを同時に測定できる。植物の育成には水分と栄養物質のバランスが重要である。例えば、水分に対して栄養物質が多すぎると、養分過剰による肥料やけが生じる。植物の水分動態と栄養物質動態とを同時に測定することで、水分と栄養物質のバランスを保つことができる。

【0096】

維管束液計測センサ４を半導体基板で形成することにより、維管束液計測センサ４を小型化でき、プローブ２０、３０、４０Ａ、４０Ｂ、５０、６０を微細化できる。そのため、維管束液計測センサ４を植物に設置しても植物に与えるダメ－ジ(損傷)を小さくでき、長期間設置させておくことができる。植物の水分動態、栄養物質動態を長期間に渡ってモニタリングすることができ、植物の生育状態に合わせて適切な時期に灌水と養分補給を行なうことができる。その結果、作物、果樹などの収穫量の増大が図られる。あわせて、病害を含む生育不良の低減により、果樹栽培の高品質(果実糖度が高い)・安定生産(品質が揃った)など、高付加価値栽培が可能となる。

【0097】

なお、維管束液計測センサ４に設けられる温度プローブ４０を１つとしてもよい。このような構成でも維管束液の流量を測定できる。また、維管束液計測センサ４に電気伝導率プローブ５０を設けなくてもよい。すなわち、維管束液計測センサ４をｐＨ測定用の指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０と、水分動態測定用の第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０との組み合わせとしてもよい。維管束液計測センサ４に指示電極プローブ２０および参照電極プローブ３０を設けなくてもよい。すなわち、維管束液計測センサ４を電気伝導率測定用の電気伝導率プローブ５０と、水分動態測定用の第１、第２温度プローブ４０Ａ、４０Ｂおよびヒータ付温度プローブ６０との組み合わせとしてもよい。

【実施例】

【0098】

（ｐＨ測定）
・固体参照電極の表面形状評価
ガラス片上に固体参照電極を形成した。ここで、固体参照電極を基層、塩化銀層、塩化物層の積層構造とした。ガラス片上に金薄膜を形成して基層とした。基層の表面に塩化銀インクを塗布し、乾燥させて塩化銀層とした。塩化カリウム粉末とガラスペーストと混合し、混合物を塩化銀層の表面に塗布した後、焼成（５００℃、６０分）することで、塩化物層を形成した。

【0099】

ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：１、０．７５、０．５０、０．２５の４パターンとし、各パターンで試料を作製した。そして、各試料の表面形状を観察した。

【0100】

ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：１とした場合および１：０．７５とした場合、塩化物層の剥離、クラックが観察された。ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：０．５０とした場合および１：０．２５とした場合は、外観上の不良はみられなかった。

【0101】

以上より、ガラスペーストに対する塩化カリウムの比率が小さいほど、塩化物層の密着性が高いことが確認された。具体的には、ガラスペースト１に対して塩化カリウム０．５０以下とすれば、十分な密着性が得られる。

【0102】

・固体参照電極の材料安定性評価
上記で得られた各試料について材料安定性を評価した。固体参照電極と金属電極とを純水に１８時間浸漬した後、ＳＥＭおよび顕微鏡により外観観察を行なって評価した。

【0103】

その結果、ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：１、０．７５、０．５０とした場合、ガラスペーストの溶解がみられた。ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：０．２５とした場合は、ガラスペーストの溶解がみられなかった。これより、ガラスペースト１に対して塩化カリウム０．２５以下とすれば、ガラスペーストの溶解を抑制できることが確認された。

【0104】

以上より、ガラスペースト１に対して塩化カリウム０．２５以下とすれば、密着性が良く、ガラスペーストが溶解しづらい塩化物層が得られることが確認された。

【0105】

・固体参照電極の出力電位評価
つぎに、シリコン基板上に固体参照電極を形成した。固体参照電極は上記と同様の手順で形成した。ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：０．２５、０．１０の２パターンとし、各パターンで試料を作製した。ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：０．２５とした試料を試料１、ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：０．１０とした試料を試料２とする。

【0106】

試料１、２について出力電位を評価した。評価は、固体参照電極と金属電極とを純水に浸し、電極間の電位を２４時間測定することにより行なった。試料１の出力電位の時間変化を図１３（Ａ）に示す。試料２の出力電位の時間変化を図１３（Ｂ）に示す。

【0107】

試料１と試料２を比較すると、試料１は出力電位のドリフトが見られるのに対して、試料２は出力電位のドリフトがほとんどみられない。これより、ガラスペースト１に対して塩化カリウム０．１０以下とすれば、固体参照電極の出力電位が安定することが確認された。

【0108】

・ｐＨ測定評価
シリコン基板を加工して指示電極プローブと参照電極プローブとを有する維管束液計測センサを作製した。指示電極プローブの先端部には指示電極としてイオン感応性電界効果トランジスタを設けた。また、参照電極プローブの先端部には固体参照電極を設けた。固体参照電極は上記と同様の手順で形成した。ここで、ガラスペーストと塩化カリウムの重量比を１：０．１０とした。この維管束液計測センサを実施例１とする。

【0109】

実施例１の指示電極と固体参照電極とをｐＨ標準液（ｐＨ：４．０１、６．８６、９．１８）に浸し、暗室にてｐＨ測定を行なった。図１４に、イオン感応性電界効果トランジスタのゲート－ソース間電圧Ｖgsとドレイン電流Ｉdとの関係を示す。

【0110】

図１４から分かるように、Ｉd－Ｖgs特性がｐＨに依存して変化する。これより、実施例１の指示電極と固体参照電極とにより、ｐＨの測定ができることが確認できた。また、センサ感度をｐＨ１あたりのＶgsの変化として求めたところ、２９ｍＶ／ｐＨであった。

【0111】

（電気伝導率測定）
シリコン基板を加工して電気伝導率プローブを有する維管束液計測センサを作製した。電気伝導率プローブの先端部に電気伝導率電極対を設けた。電気伝導率電極対として一対の平面電極からなるものを実施例２とする。平面電極の大きさは横５５μｍ、縦１００μｍである。電気伝導率電極対として一対の立体電極からなるものを実施例３とする。立体電極は直方体であり、その大きさは横５５μｍ、縦１００μｍ、高さ５０μｍである。

【0112】

・セル定数
実施例２、３のそれぞれについて、電気伝導率電極対のセル定数を測定した。測定には、電気伝導率１．４１ｍＳ／ｃｍに調整されたＫＣｌ標準液を用いた。電気伝導率プローブをＫＣｌ標準液に浸漬し、電極間の電流および電圧の測定値から標準液の抵抗値を求めた。また、前記式（１）のσに１．４１ｍＳ／ｃｍを、Ｒに求めた抵抗値を代入してセル定数Ｋを求めた。１０回の測定の平均値からセル定数を特定した。

【0113】

平面電極を有する実施例２は電気伝導率電極対のセル定数が４，６５９ｍ^-1であった。立体電極を有する実施例３は電気伝導率電極対のセル定数が１，２５８ｍ^-1であった。これより、電極を立体形状にすることで、電気伝導率電極対のセル定数を小さくできることが確認された。

【0114】

・電気伝導率測定
実施例３を用いて、塩化カリウム溶液の電気伝導率を測定した。測定には、濃度が０．０１ｍｏｌ／Ｌごとに異なる塩化カリウム溶液を用いた。各濃度の塩化カリウム溶液の電気伝導率を測定した。また、市販のセンサ（ＨＯＲＩＢＡ社製ＬＡＱＵＡｔｗｉｎ Ｂ－７７１）を用いて、同様に塩化カリウム溶液の電気伝導率を測定した。

【0115】

図１５に塩化カリウム水溶液の濃度と電気伝導率測定値との関係を示す。実施例３で得られた電気伝導率の測定値は、市販のセンサで得られた測定値とよく一致する。少なくとも電気伝導率が０～１２ｍＳ／ｃｍの範囲で、実施例３と市販センサとの間に測定値の差異がほとんどない。これより、実施例３は少なくとも０～１２ｍＳ／ｃｍの範囲で、電気伝導率を精度良く測定できることが確認できた。

【0116】

（植物を用いた試験）
シリコン基板を加工して電気伝導率プローブおよび温度プローブを有する維管束液計測センサを作製した。まず、前記と同様の手順で、ＫＣｌ標準液を用いて電気伝導率電極対のセル定数を測定した。つぎに、植木鉢で成長したキュウリの茎に電気伝導率プローブおよび温度プローブを突き刺してセンサを取り付けた。キュウリを植木鉢ごと気象器に入れ、温度２５℃、湿度７０％、二酸化炭素濃度５００ｐｐｍに設定した。実時刻に合わせて気象器内の光量を変化させた。それと同時にセンサにより電気伝導率の測定を行なった。

【0117】

図１６に、気象器内の光量と、センサにより測定された電気伝導率の時間変化を示す。図１６のグラフより、光量が増加すると電気伝導率が高くなり、光量が減少すると電気伝導率が低くなることが分かる。光量の増加にともない、植物が土壌から吸収する硝酸態窒素の量が多くなる。センサにより測定された電気伝導率は植物の硝酸態窒素吸収量により変化したと考えられる。

【0118】

また、植木鉢から出てきた水の電気伝導率を市販のセンサで測定したところ１．７８ｍＳ／ｃｍであった。本センサで測定された電気伝導率の最大値は１．７５ｍＳ／ｃｍであり、土壌の電気伝導率とほぼ同じ値である。以上より、本センサで植物の栄養物質動態を測定できることが確認された。

【符号の説明】

【0119】

１、２、３、４ 維管束液計測センサ
１０ 支持部
２０ 指示電極プローブ
２１ 指示電極
３０ 参照電極プローブ
３１ 固体参照電極
３２ 基層
３３ 塩化銀層
３４ 塩化物層
４０ 温度プローブ
４１ 温度センサ
５０ 電気伝導率プローブ
５１ 電気伝導率電極対
５２ 電極
６０ ヒータ付温度プローブ
６１ 温度センサ
６２ ヒータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】