用氣體傳感器測肉的方法和裝置及製作氣體傳感器的方法

2023-09-18 03:02:20 1

專利名稱：用氣體傳感器測肉的方法和裝置及製作氣體傳感器的方法
技術領域：
本發明涉及測量肉的新鮮度的裝置，尤其是，製作測量肉新鮮程度的氣體傳感器的方法，它是根據肉新鮮度的變化測量從肉中所產生的氣體進行的，還涉及利用這種氣體傳感器測量肉的新鮮度的裝置和方法。
為了測量肉和魚等的新鮮度，已試過各種方法，諸如各種功能性方法，細菌方法，物理方法，化學方法等。
這些方法中的功能性方法是通過人的感官、嗅、觸、嘗、看等來進綜合測定，它們沒有標準的判據，很難用數字評估，不具有客觀性和重複性。如不顧及這些缺點，它們是常用的方法。
細菌方法，測量欲測定的樣品中存在的細菌數，它是相當可靠的。但是，隨著樣品取樣部位不同，測量結果有可能不同，以及複雜的操作和需要長的測量時間，致使細菌方法不適用於對早期階段肉新鮮度的測量。
物理方法，該方法用於測量樣品的硬度，電阻和介電特性，但由於與新鮮度無關的各種變化會引起測量缺乏重複性，從而使它們不實用。
在化學方法中，測量由樣品中氧化性以及酶與細菌的反應所產生的化學製品，有下述的方法(1)測量PH的方法該方法中，測量樣品中的PH，間接模擬測量肉的新鮮度。但，PH隨新鮮度改變的變化不十分明顯，PH的差值根據樣品的不同種類有一些改變，因此該方法不作為新鮮度的標誌。
(2)依據分解的化學物測量新鮮度的方法a、一種利用揮發鹼基氮(VBN)的方法在該方法中，一個主要由胺(從胺基酸產生的)，三甲胺TMA(從TMAO(三甲胺氧化物產生的))等組成的成分溶解在樣品中，並測量該成分。通常，每100克樣品的VBN量為20毫克或以下；每100克樣品的20-30克VBN量表示出該樣品處於早期分解階段，超過30克VBN表示樣品處於腐敗階段。這種方法得到廣泛使用。然而，其缺點是，隨著樣品的測量部位不同，可發生測量誤差。此外，需要不同的試劑和設備，測量時間長。
b、利用腺苷三磷酸鹽(APT)相關的化合物的方法(K值方法)，大部分化學測量方法測量由細菌產生的分解的化學物質，這個方法使用發生在樣品由細菌汙染之前的一種樣品的酶分解。包含在蛋白質纖維中的高能腺苷三磷酸鹽隨時間的增加被分解成HxR和Hx。用K值表示相應於被分解與核酸有關的物質總量的HxR和Hx總和的百分數。由於這種方法具有很好的重複性和依據功能估測的結果，所以最廣泛地被使用。另外，利用氧電極測量K值的裝置在商業上是可獲取的。然而，由於設備費錢，並需要複雜的樣品製備步驟，所以該設備幾乎沒有人去使用。
上述諸方法其缺點在於，他們或者需要長的測量時間，或者需要附加的試劑和製備樣品用的附加設備，於是在現場測量具有困難。
另一方面，除上述方法外，作為一個利用氣體傳感器測定肉的新鮮度的方法，儘管試圖通過測量TMA氣體，由魚分解的一種氣體成分，來測定魚的分解，但是還沒有一種利用氣體傳感器可以簡便測量肉的新鮮度的裝置。
一個測量TMA氣體傳感器的例子將在下面說明，TMA是一種從魚中分解的氣體。
參見

圖1，所示的一種常規氣體傳感器是TMA傳感器，它包括一個形成在絕緣陶瓷管1的表面上的金屬電極2，一種傳感材料塗在金屬電極2上形成一個探測膜3，線圈形式的加熱器4裝置在陶瓷管1的內側。電引線是5。添加Ru催化劑的傳感材料TiO2對由魚分解產生的TMA是靈敏的，它已用於測量魚的新鮮度。
圖2表示新鮮度根據魚的貯存時間的變化；其中實線代表傳感器的輸出，虛線表示相應於分解核酸相關物總量的HxR和Hx總和百分數的K值。
然而，慣用的氣體傳感器是一種檢測從魚分解所產生TMA氣體的氣體傳感器，它對於測量由於肉的新鮮度變化所產生氣體有困難。已知，隨著肉的新鮮度降解，TMA，以及乙酸乙酯，異戊醇，3羥基-2丁酮，甲硫醚，由分解產生的氮化物，如二甲胺和三甲胺，以及硫化物，如甲硫醇和硫化氫等被產生。由於這些氣體是還原性的，所以他們被吸附至氣體傳感器的表面上，引起電阻的改變。然而，所產生的氣體量很小，反應很低，所以常用的氣體傳感器幾乎不能探測這些氣體。
本發明提出一種利用氣體傳感器測量肉新鮮度的裝置，它測量由於肉的新鮮度的改變所產生的氣體，以便按照氣體傳感器靈敏度的改變測定肉的新鮮度，還提供一種測量肉新鮮度的方法，以及製作該氣體傳感器的方法，這種傳感器基本上避免由於已有技術的限制和缺點所產生的各種問題。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的證明中提出，並從說明中使局部的內容更明白，也可從本發明的實例中予以分解。本發明的目的和其他優點將通過由上面說明書和權利要求書及附圖中所提出的具體結構來實現和獲得。
為取得這些和其它的優點，按照本發明的目的，如概括所說明的，利用氣體傳感器測量肉的新鮮度的裝置包括，一個用於對欲探測肉新鮮度的肉的表面所產生氣體進行探測的氣體傳感器；氣體取樣裝置，用於對供氣體傳感器的肉表面所產生的氣體進行取樣；加熱器操作裝置，用於對氣體傳感器的加熱器進行操作；以及用於測量氣體傳感器的傳感速率和顯示肉的新鮮度的測定裝置。
本發明的其它方面在於提供一種製作傳感器的方法，它包括，混合和粉化具有添加劑的原料粉末，並混入有機結合劑，形成糊狀的傳感膜層材料，形成圖形，並熱處理在基片上的電極和加熱器的圖形以使電極和加熱器的二圖形成形，絲網印刷，乾燥並將傳感材料燒結至電極的圖形上，以形成傳感膜，再把Pt絲連接到電極和加熱器部位上，最後對整個完整的氣體傳感器予以封裝。
需知，上述的一般性介紹和下面詳細說明是舉例和說明性的，由權利要求試圖對本發明提供進一步的說明。
附圖用於進一步理解本發明，並使說明書部分具體化，本發明的實施例結合說明書起到解釋本發明原理的作用。
圖1表示常規TMA氣體傳感器的結構；圖2說明用常規TMA氣體傳感器所探測的魚新鮮度變化的曲線圖；圖3表示利用本發明優選實施例的氣體傳感器測量肉新鮮度的裝置的方框圖；圖4表示根據本發明優選實施例的氣體傳感器的布置圖；圖5表示根據本發明優選實施例製造氣體傳感器的流程圖；圖6表示本發明氣體傳感器的工作電路圖；圖7說明操作本發明的氣體傳感器方法中所示意表示的加熱器操作電壓的時間圖8說明本發明的氣體取樣部件的系統圖；圖9表示測量肉的新鮮度的方法流程圖；圖10表示本發明的氣體傳感器的加熱器操作，傳感膜的電阻變化圖。
圖11表示本發明的氣體傳感器的靈敏度，按照豬肉在室溫存放時間而改變的曲線圖。
下面將對本發明的優選實施例詳細地介紹，所列舉的例子在附圖中予以說明。
圖3是根據本發明優選實施例的氣體傳感器用於測量肉的新鮮度的裝置方框圖。該裝置包括氣體傳感器11，用於探測受測肉的新鮮度的肉表面所產生的氣體；氣體取樣部件12，用於使氣體傳感器11能探測從肉的表面所產生的氣體；加熱器操作部件13，用於操作氣體傳感器11的加熱器，以有利於氣體傳感器高靈敏度和重複性地對所產生的氣體起反應；以及測定部件14，用於測量由氣體傳感器11所給出的靈敏度，並測定和顯示肉的新鮮度。
本發明設計成，使由樣品肉表面所產生的氣體直接與氣體傳感器接觸。上述的氣體傳感器11是一個元件，用它來測量吸附在氧化物半導體表面上的氣體的電子交換反應所引起的電導率的改變，以表示氣體的存在和濃度。利用加熱器操作部件13使氣體傳感器11在合適的條件下工作。以對所有的有關氣體提供選擇性，而不僅是對欲探測氣體有其電阻的改變，測定部件14基於電阻與所貯存時間的改變率來測定肉的新鮮度。
圖4是本發明體傳感器的布置圖。氣體傳感器11其設計需要考慮到製作和操作的實際效果。尤其，通過在基片15的一側形成加熱器16，電極17和探測膜18，以此來簡化製作過程。如圖所示，用Pt引線19將加熱器和電極連接至封裝體。
參見圖5，氣體傳感器採用一種厚膜方法製作。
原材料粉末和添加劑以一定的重量比充分地混合，並在合適的設備，如球磨機或磨碎機，或用手工粉化至平均顆粒為幾微米大小，再與有機粘合劑混合成糊狀。在印製圖形後，通過熱處理去除有機粘合劑，只留下傳感材料。在這種情況下，使用三個滾軋機將糊層調整到具有合適的可進行絲網印刷的粘度。一個氧化鋁基片用雷射光刻到適用的裝置尺寸，並使它製成很容易分開成單個元件。在清潔之後，印製電極和鉑糊的加熱器的圖形，然後乾燥，並在1100℃高溫下進行熱處理。將傳感器層印製在電極圖形上，由此使它製備在基片上，使傳感層在150℃溫度下乾燥30分鐘，再在大氣中以600-800℃的溫度燒結0.5-2小時。
將鉑絲焊接到電極和加熱器的焊接部分上以便連接到封裝件。
用於本發明氣體傳感器中的檢測肉新鮮度的傳感材料有添加WO3和用作提高TMA反應率的催化劑的鉑(Pt)的SnO2氧化物半導體，以及乙酸乙酯，異戊醇，3-羥基-2-丁酮，甲硫醚，氣體氮化物，如二甲胺和三甲胺，氣體硫化物，如甲硫醇，硫化氫等，由此提高靈敏度。
採用重量比，添加WO3的量是1-5％，Pt的量是0.5％-5％。所添加的添加劑可提高氣體對吸附在氣體傳感器11的表面上的氧離子的反應，以增加氣體傳感器11的靈敏度。
圖6表示本發明氣體傳感器的工作線路圖。將加熱器操作部件13給出的電壓加至加熱器電阻R1，調節該電壓，使氣體傳感器11的溫度可以調節。將傳感部件的電阻R2串聯到電壓源Vc，並將外電阻RL連接到傳感部件的電阻R2。外電阻R2用於測量氣體傳感器11的電阻變化。
將由操作電路測量的傳感器在空氣中的電阻與由樣品氣體測量的傳感器電阻之間的電阻比定義為靈敏度。在這種情況下，上述的傳感器是指氣體傳感器11，這也適用下文中所述。
由於傳感器的靈敏度在很大程度上取決於傳感器的操作方法，尤其是取決於加熱器(傳感器的溫度)的操作電壓，所以設計一種如圖7所示的操作方法。
參見圖7，利用加熱器操作部件13通過調節加熱器的操作電壓(VH)來調節傳感器傳感材料的溫度。
在測量氣體被取樣之前，加熱器受到高於正常操作溫度的溫度加熱一定時間，用於熱清淨。在對由肉產生的氣體取樣並經過一定時間測量之後，使加熱器再熱清淨一定時間。
由於通常在比較低的溫度下，從內產生的氣體對傳感器的傳感材料具有高的反應，所以傳感器為取得最高的靈敏度必須在低的溫度下操作。然而，因為幹擾氣體和水份在低的溫度下有相當高的吸附，並且使傳感器的恢復又是很慢，所以需要在測量之前和之後將傳感器的溫度予以提高，以便去除吸附在傳感材料表面上的雜質，並幫助對影響傳感器靈敏度的氧進行有效的吸附。
利用測量氣體之前加熱清淨，可以去除吸附在傳感器表面上的雜質，並使傳感材料的電阻初始化，提高傳感器靈敏度。而用測量氣體之後加熱清淨，可使氣體傳感器迅速恢復。在這種情形下，正規的測量溫度在150℃-250℃之間，熱清淨的溫度在350℃-450℃之間，時間為30秒或大於30秒。
由於隨肉的新鮮度的改變從肉產生的氣體量是相當小的，所以對氣體取樣的方式也是非常重要的。儘管傳感器具有高的靈敏度，如果欲檢測的氣體在到達傳感器的途徑內受到空氣的稀釋，那麼幾乎不能使氣體受到檢測。
所以，參見圖8，需將傳感器11安裝在一種小探測形式的元件20內，使該探測元件20直接與肉的表面接觸，隨著探測元件與樣品表面的接觸，氣體以樣品的表面泵入探測元件。為避免由空氣對所產生的氣體進行稀釋，需將氣體傳感器設計成直接與樣品的表面接觸，以使傳感器接受相應的傳感。
利用圖9所示的具有圖8所示傳感元件的方法測量肉的新鮮度。
首先，在接通加熱器之後，使加熱器的操作電壓升高，然後下降到正常的操作溫度。使傳感器元件20與樣品的表面相接觸。接通取樣部件13內的泵，對欲測氣體取樣。測量氣體傳感器11的電阻改變，以測定樣品的新鮮度，然後對加熱器進行清淨，以供下一次測定。
在上述方法中傳感器的信號響應特性如下在傳感器中傳感膜的電阻在正常的操作溫度時在空氣中保持某一預定的值。在加熱清淨時由於高溫使傳感膜的電阻下降。在熱清淨之後，當傳感器曝露於欲測氣體時，在傳感器中的傳感膜的電阻下降，一旦該氣體被去除，使傳感器恢復。圖10表示由氣體引起的傳感膜的電阻改變情況。
圖11說明本發明根據豬肉在室溫保存的時間周期不同時SnO2-WO3-Pt傳感器的靈敏度。
可見，樣品豬肉在室溫25℃貯存10小時之後它的新鮮度開始變壞，在保存15小時之後，開始分解。在這種情況下，傳感器的熱清淨電壓是8伏(400℃)，傳感器的操作電壓是3伏(200℃)。利用傳感器的傳感率取決於用上述方法測量的樣品的各種條件，測定部件14根據傳感率與由細菌方法或化學方法測量和先期保存的新鮮度標誌數據之間的關係來測定某一新鮮度。本發明的氣體傳感器也可用相同的方法測定牛肉或雞，以及豬肉的新鮮度。
如上所述的，利用氣體傳感器測量隨著肉的新鮮度改變所產生的氣體，本發明的氣體傳感器允許在短時間內，利用一個依據傳感器的靈敏度改變的簡單系統就可以測定肉的新鮮程度。
此外，由於本發明的氣體傳感器在一個相當短的時間內測定肉的新鮮度，所以可以肉的新鮮度保持在一個相當好的水準上。
需明白，本領域的普通技術人員，可以在不偏離本發明的精神和範圍內對製作本發明的氣體傳感器的方法作出各種修改和變動。由此，本發明對在所附的權利要求和他們等價的範圍內所指出的修改和變動也包括在內。
權利要求
1.一種利用氣體傳感器測量肉的新鮮度的裝置，它包括一氣體傳感器，用於探測受測肉新鮮度的肉表面所產生的氣體；氣體取樣裝置，用於對從肉的表面產生的氣體進行取樣，以供氣體傳感器的探測；加熱器操作裝置，用於對供氣體傳感器用的加熱器進行操作；測定裝置，用於測量氣體傳感器的靈敏度，並測定和顯示肉的新鮮度。
2.根據權利要求1的裝置，其中，氣體傳感器包括一個基片，形成在基片上的加熱器，形成在基片上並與加熱器絕緣的電極，形成在包括有電極的基片上的傳感材料。
3.根據權利要求2的裝置，其中，傳感材料由與WO3和Pt混合的SnO2氧化物半導體構成。
4.根據權利要求3的裝置，其中，傳感材料包括1-5Wt％的WO3和0.5-5W的Pt。
5.根據權利要求1的裝置，其中，氣體取樣裝置包括，用於與肉相接觸的接觸件，安置在接觸件內的氣體傳感器，以及使所產生的氣體與氣體傳感器相接觸的吸收件。
6.根據權利要求1的裝置，其中，測定裝置包括一個根據在先貯存的電阻值與測量電阻值的比測定新鮮度的系統。
7.一種製作氣體傳感器的方法，它包含下列步驟使原材料SnO2粉末與添加劑WO3和Pt混合和粉化，並混合有機粘合劑，形成糊狀的傳感膜材料；在基片上形成電極和加熱器的圖形和熱處理圖形，並使電極和加熱器的兩圖形成形；將傳感器材料絲網印製在電極的圖形上，形成傳感膜，並對傳感膜進行乾燥和燒結；將鉑絲焊接到電極和加熱器的焊接部分上以便連接到封裝件。
8.根據權利要求7的方法，其中，添加劑包括1-5Wt％的WO3，0.5-5Wt％的Pt。
9.根據權利要求7的方法，其中，傳感器材料在600-800℃溫度之間燒結0.5-2小時。
10.一種測量肉的新鮮度的方法，它包含以下步驟在氣體傳感器的加熱器接通後，利用提高氣體傳感器的操作電壓進行熱清淨；將加熱器的操作電壓下降到正常的操作溫度的電壓；使氣體傳感器的元件與樣品肉的表面接觸；對肉的表面所產生的氣體進行取樣；測量由取樣的氣體所引起的氣體傳感器的電阻變化，來測定新鮮度。
11.根據權利要求10的方法，還包含在氣體取樣步驟後的熱清淨步驟。
12.根據權利要求10的方法，其中，正常操作溫度在150℃-250℃之間，熱清淨是在350℃-450℃之間進行30秒鐘。
全文摘要
製作一種測量肉的新鮮度的氣體傳感器的方法，它是通過測量隨肉的新鮮度改變而從肉所產生的氣體進行的，及用這種氣體傳感器測量肉的新鮮度的裝置和方法，該裝置包括在探測內的新鮮度時對肉的表面產生的氣體進行探測的氣體傳感器，用於由氣體傳感器傳感的肉的表面產生的氣體進行取樣的取樣裝置，用於操作對氣體傳感器加熱的加熱器進行操作的加熱操作裝置，及用於測量氣體傳感器的傳感率，並測定和顯示肉的新鮮度的測定裝置。
文檔編號G01N27/12GK1162118SQ9612325
公開日1997年10月15日 申請日期1996年12月20日 優先權日1996年12月20日
發明者尹童鉉, 李圭晶, 權哲漢, 洪炯基, 金承烈 申請人:Lg電子株式會社