KR101573101B1

KR101573101B1 - 유량 센서 시스템

Info

Publication number: KR101573101B1
Application number: KR1020107029292A
Authority: KR
Inventors: 장-마르크 플릭
Original assignee: 필립모리스 프로덕츠 에스.에이.
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2015-11-30
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: AR074040A1; CN102088875A; RU2496393C2; EP2143346A1; EP2299855A1; EP2299855B1; WO2010003480A1; MX2011000318A; MY160191A; AU2009267544A1; ZA201008868B; HUE027071T2; ES2573942T3; NZ589885A; CO6341532A2; KR20110025186A; IL209971A0; PL2299855T3; TWI479458B; CN102088875B

Abstract

에어로졸 발생 시스템에서 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하기 위한 유체 센서 시스템이 제공된다. 센서 시스템은 센싱 저항 및 전압 출력을 포함하는 센싱 회로를 포함한다. 센싱 저항은 저항값(resistance)의 변화에 기초하여 유체 흐름을 검출하도록 배열된다. 센싱 회로는 센싱 저항의 저항값의 변화가 전압 출력의 변화를 초래하도록 배열된다. 센서 시스템은 또한 센싱 회로를 작동하기 위해서 센싱 회로에 펄스 구동 회로를 제공하도록 배열된 신호 발생기를 포함한다. 센싱 회로는 펄스 구동 회로가 하이일 때 전력을 공급받고, 펄스 구동 신호가 로우일 때 전력을 공급받지 않는다. 센서 시스템은 퍼프(puff)가 기대되지 않거나 검출되지 않는 제 1 모드에서 동작하기 위해서 배열되고 이때에 펄스 구동 신호가 제 1 주파수를 갖으며, 퍼프가 기대되거나 검출되는 제 2 모드에서 펄스 구동 신호가 제 1 주파수보다 더 큰 제 2 주파수를 갖는다.

Description

유량 센서 시스템{A FLOW SENSOR SYSTEM}

본 발명은 유량 센서 시스템에 관한 것이다. 특히, 그러나 독점적으로 본 발명은 에어로졸 발생 시스템을 위한 유량 센서 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 흡연 시스템, 예컨대 전기적 가열 흡연 시스템을 위한 유량 센서 시스템과 같은 특정 응용을 제공한다.

예컨대 US-A-5 060 671 , US-A-5 388 594, US-A- 5 505 214, US-A-5 591 368, WO-A-2004/043175, EP-A-O 358 002, EP-A-O 295 122, EP-A-1 618 803, EP-A-1 736 065 및 WO-A-2007/131449, 다수의 선행 기술 문헌은, 많은 이점을 갖는 전기적으로 동작하는 흡연 시스템을 개시한다. 하나의 장점은 흡연자가 선택적으로 중지하고 흡연을 재시작할 수 있는 동안 생담배 연기를 현저하게 줄여준다는 것이다.

종래 기술의 에어로졸 발생 시스템은 에어로졸-생성 기질(substrate), 에어로졸을 생성하도록 기질을 가열하기 위한 하나 이상의 가열 소자, 및 하나 이상의 가열 소자에 전력을 공급하기 위한 파워 서플라이(Power supply)를 포함할 수 있다. 종래 기술의 에어로졸 발생 시스템은 동작을 위해 필요한 온도 범위를 제공하고 각각의 퍼프(puff) 동안 휘발성의 구성성분을 방출하기 위해서 가열기(heater)에 에너지 펄스를 제공할 수 있다. 많은 선행기술의 에어로졸 발생 시스템은 에어로졸 발생 시스템의 유체 흐름(예컨대, 공기 흐름(airflow) 또는 에어로졸 흐름(aerosol flow))을 감지하기 위한 유량 센서(flow sensor)를 포함한다. 센서는 에어로졸 전달(delivery)을 관리하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 유량 센서는 퍼프를 하는 사용자에 의해서 초래된 흡입의 공기 흐름 표시를 감지한 때, 가열 소자 또는 임의의 종류의 분무기를 포함할 수 있는 에어로졸화 메커니즘(aerolization mechanism)이, 퍼프를 위한 에어로졸을 제공하도록 작동한다. 유량 센서는 수동(즉, 기계적으로) 센서 또는 능동 센서일 수 있다.

수동 센서는 전형적으로 변위막(displacement membrane) 및 전기적 컨택(contact)을 포함할 수 있다. 사용자의 흡입에 의해서 만들어진 공기 흐름은 막을 변위하여서 그것은 에어로졸화 메커니즘을 작동하는 전기적 컨택과 접촉한다. 공기 흐름이 막의 변위를 유지하기에 충분히 강한 상태인 채로, 에어로졸화 메커니즘이 활동 상태를 유지할 수 있다. 수동 센서의 이점은 설계의 단순화, 필연적으로 낮은 비용, 및 굉장히 적은 에너지 소모를 포함한다. 능동 센서는 자주 유체 흐름의 결과에 따른 열 손실에 기초한다. 이런 종류의 능동 센서는 종종 열 풍력계(thermal anemometer)로써 언급된다. 센서는 높은 온도까지 가열되는 저항(resistor)을 포함한다. 흐름이 저항을 냉각할 때, 소정의 전력에 대한 온도의 필연적인 감소, 또는 소정 온도를 유지하기 위한 전력의 증가는 공기 흐름 속도를 나타낸다. 저항은 전형적으로 실리콘 멤스(micro-electro-mechanical system ; MEMS)기반의 저항이다. 능동 센서의 장점은 열 손실이 흐름 속도에 비례한다는 사실을 포함하여 센서가 퍼프 특징에 대한 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있다는 점이다. 더욱이, 센서는 운반 및 출하하는 동안에 기계적 충격에 의해서 영향을 받지 않는다.

상기 언급한 것을 포함하여 선행 기술의 에어로졸 발생 시스템에 제공되는 유체 센서가 많은 단점을 가졌기 때문에, 에어로졸 발생 시스템을 위해 적합한 개선된 유체 센서 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 제 1 측면에 따르면, 에어로졸 발생 시스템에서 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하기 위한 유체 센서 시스템이 제공되고, 퍼프(puff)가 기대되지 않거나 검출되지 않는 제 1 모드 및 퍼프가 기대되거나 검출되는 제 2 모드에서 동작하도록 배열되는 센서 시스템, 저항값(resistance)의 변화에 기초하여 유체 흐름을 감지하도록 배열되는 센싱 저항, 센싱 저항(resistor) 및 전압 출력을 포함하는 센싱 회로, 센싱 저항의 저항값의 변화가 전압 출력의 변화를 초래하도록 배열된 센싱 회로; 및 펄스 구동 신호(S₁)가 하이(high)일 때 센싱 회로가 전력을 공급받고 펄스 구동 신호(S₁)가 로우(low)일 때 센싱 회로가 전력을 공급받지 않도록, 센싱 회로에 전력을 공급하기 위해서 센싱 회로에 펄스 구동 신호(S₁)를 공급하도록 배열된 신호 발생기;를 포함하되, 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 모드의 경우 제 1 주파수(f₁)를 갖고, 제 2 모드의 경우 제 1 주파수(f₁)보다 더 큰 제 2 주파수(f₂)를 갖는다.

센서 시스템은 센싱 회로와 합쳐지는 센싱 저항을 포함하기 때문에, 이는 차동 전압(difference voltage)인 출력 전압을 갖고, 감도가 높으며 흐름의 작은 변화가 검출될 수 있다. 펄스 구동 신호(S₁)의 사용은 센싱 회로가 끊임없이 작동하지 않고 오직 펄스 구동 신호(S₁)가 하이(high)일 때, 즉 구형파 신호(S₁)가 0 보다 1일 경우에만 작동한다는 것을 의미한다. 이는 현저하게 전력 소모를 감소시킨다. 센서 시스템은 끊임없이 동작할 수 있고, 이는 개별 온/오프 스위치를 구비할 필요가 없음을 의미한다. 주파수(f₁ 및 f₂)는 적당한 감도 및 전력 소모를 제공하기 위해서 선택될 수 있다. 센서 시스템은 퍼프의 질적 그리고 양적인 정보를 얻기 위해서 사용될 수 있다.

펄스 구동 신호를 공급하기 위한 신호 발생기는 바람직하게는 마이크로컨트롤러, 마이크로컨트롤러의 하나의 출력으로 제공되는 펄스 신호를 포함한다. 만약 신호 발생기가 마이크로컨트롤러를 포함하고, 바람직하게는 마이크로컨트롤러는 f₁ 및 f₂의 값을 제어하도록 프로그램된다. 다른 실시예에서, 펄스 구동 신호를 공급하기 위한 신호 발생기는 임의의 종류의 프로그램 가능한 전기 회로일 수 있다.

바람직하게는, 미리 결정된 값의 전류를 센싱 회로를 통해서 공급하기 위해 배열된 전류원을 더 포함하고, 펄스 구동 신호(S₁)가 전류원에 공급된다. 소정의 값인 전류원은 정전류로 사용되는 센싱 회로의 센싱 저항을 허용하고, 이는 가장 적은 전력 소모를 갖는 동작의 방법을 제공한다. 전류원이 펄스 구동 신호(S₁)를 통해 동작하기 때문에, 전류원은 끊임없이 동작하지 않지만, 오직 펄스 구동 신호가 하이(high)일 때마다 동작하고, 이는 전력 소모를 더 감소시킨다. 전류원이 센싱 저항의 저항값과 센싱 회로의 전압 출력의 의존성의 비선형성을 감소시킨다. 바람직한 실시예에서, 전류원은 온도-보상된 전류원이다. 만약 주변 공기 온도가 변하면 센싱 회로의 전압 출력의 임의의 변화를 제거해주기 때문에 이는 장점이다. 일 실시예에서, 전류원은 전압원, 미러(mirror)로 구성된 2개 트랜지스터, 및 입력 저항을 포함한다.

바람직하게는, 유량 센서 시스템은, 센싱 회로의 전압 출력을 증폭하기 위해 배열된 차동 증폭기를 더 포함한다. 이는 센싱 회로의 출력이 오직 수 mV이기 때문에 이점이 있다. 차동 증폭기는 바람직하게는 낮은 전력 소모 및 높은 이득을 갖는다.

바람직하게는, 차동 증폭기는 펄스 구동 신호(S₁)가 로우일 때 디스에이블(disable)될 수 있고 펄스 구동 신호(S₁)가 하이일 때 인에이블(enable)될 수 있다. 이는 전력 소모를 더 줄여준다. 바람직하게는, 차동 증폭기의 출력은 센싱 회로의 전압 출력값 범위 내에서 센싱 회로의 전압 출력에 비례하고, 센싱 회로의 전압 출력이 그 범위보다 더 작거나 클 때 포화된다. 즉, 센싱 회로의 전압 출력이 그 범위보다 작을 때, 차동 증폭기의 출력은 균일한 값을 갖고; 센싱 회로의 전압 출력이 범위보다 더 클 때, 차동 증폭기의 출력은 균일한 값을 갖으며; 센싱 회로의 전압 출력이 그 범위 내에 있을 때, 센싱 회로의 출력과 차동 증폭기의 출력 사이에 선형 관계가 있다.

바람직하게는, 센서 시스템은 검출되는 퍼프를 나타내는 센싱 회로의 전압 출력의 변화 후 소정의 시간 주기 동안 제 2 모드로 동작하고, 모든 그 밖의 시간동안에 제 1 모드로 동작한다. 따라서, 퍼프가 검출된 때, 또는 다른 시간에서 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수(f₁)에서 더 높은 제 2 주파수(f₂)로 변화한다. 센서가

초인 제 1 모드에서 동작하는 때 이는 퍼프를 위한 최대 시간을 의미한다. f₁은 제 1 모드에서 전력 소모와 감도 사이의 적당한 균형을 제공하기 위해서 선택될 수 있다. 만약 센서가 제 2 모드에서 동작하는 동안에 퍼프가 검출된다면, 퍼프를 위한 최대 시간은

초이다. f₂는 제 2 모드에서 전력 소모 및 감도 사이의 적당한 균형을 제공하기 위해서 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 주파수(f₁)는 3 Hz이고 제 2 주파수(f₂)는 22 Hz 이다.

바람직하게는, 퍼프의 검출 이후에 센서가 제 2 모드에서 동작하는 소정의 시간 주기는, 특정 사용자를 위한 퍼프 사이에 평균 시간과 같다. 추가적으로, 소정의 시간은 적응적일 수 있는데, 그것은 연속적으로 퍼프 사이의 앞선 시간의 이동 평균(running average)에 기초하여 조정된다.

만약 펄스 구동 신호(S₁)를 공급하기 위한 수단이 마이크로컨트롤러를 포함한다면, 바람직하게는 센싱 회로의 전압 출력은 마이크로컨트롤러의 입력으로 제공된다. 이는 차동 증폭기를 통해서 할 수 있다. 그 다음, 일 실시예에서 마이크로컨트롤러를 위한 입력이 퍼프가 검출되었는지를 나타낼 때, 마이크로컨트롤러가 제 1 주파수(f₁)에서 제 2 주파수(f₂)로 그것의 출력의 펄스 구동 신호(S₁)를 변화할 수 있다.

바람직하게는, 신호(S₂)가 에어로졸 발생 시스템의 그 밖의 구성요소를 위해 공급되고, 센싱 회로의 전압 출력이 퍼프가 검출된 것을 나타낼 때 신호(S₂)는 하이이고, 센싱 회로의 전압 출력이 퍼프가 검출되지 않은 것을 나타낼 때 신호(S₂)는 로우이다. 만약 펄스 구동 신호(S₁)를 공급하기 위한 수단이 마이크로컨트롤러를 포함한다면, 바람직하게는 신호(S₂)가 마이크로컨트롤러의 추가적인 출력에 제공된다. 바람직하게는 센싱 회로의 전압 출력은 마이크로컨트롤러의 입력으로 제공된다. 그 다음 마이크로컨트롤러를 위한 입력이 퍼프가 검출된 것을 나타낼 때, 마이크로컨트롤러가 하이 신호(S₂)를 출력하도록 배열되고, 마이크로컨트롤러를 위한 입력이 퍼프가 검출되지 않을 것을 나타낼 때, 마이크로컨트롤러가 로우 신호(S₂)를 출력하도록 배열된다. 에어로졸 발생 시스템의 그 밖의 구성요소가 에어로졸화 메커니즘(이는 기화 메커니즘(vaporization mechanism), 기화 엔진(vaporization engine), 원자화 메커니즘(atomisation mechanism) 또는 원자화 엔진(atomisation engine)일 수 있다), 분무기, 가열 소자 및 퍼프 지시기를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

유체 센서 시스템은 센서 시스템의 감도(sensitivity)를 조정하는 수단을 더 포함하되, 감도를 조정하는 수단은, 센싱 회로의 가변 저항; 자동 조정 옵셋 회로(self adjusting offset circuit); 및 센싱 회로에 펄스 보정 신호(pulsed calibration signal ; S_c)를 공급하는 신호 발생기;를 적어도 하나 포함한다.

가변 저항은 센서 시스템의 감도를 변화하도록 조정할 수 있다. 바람직하게는, 센싱 저항은 동작 저항값의 범위(고정된 크기를 갖는 범위)를 갖고 가변 저항의 조정은 센싱 저항의 동작 저항값의 범위의 위치, 즉 동작 저항의 범위의 낮은 지점을 변화시킨다. 이는, 퍼프의 부재시에 센싱 회로의 전압 출력에 차례로 영향을 주고, 이는 시스템의 감도에 영향을 준다. 바람직한 실시예에서, 가변 저항이 조정되고 동작 저항값의 센싱 저항 범위가 낮은 지점을 갖거나 영 바로 아래에 있다. 이는 최상의 감도를 제공하게 된다.

자동 조정 옵셋 회로가 센서 시스템의 감도를 변화시키도록 사용될 수 있다. 옵셋 회로가 마이크로컨트롤러의 입력에 차동 증폭기의 출력을 연결하고 차동 증폭기의 비반전 입력에 마이크로컨트롤러의 출력을 연결하도록 형성될 수 있다. 마이크로컨트롤러는 차동 증폭기의 출력(V_OUT)을 감시하고 V_OUT = 0 일 때까지 비반전 입력에 전압을 공급한다.

펄스 보정 신호(S_C)가 센서 시스템의 감도를 조정하기 위해서 사용할 수 있다. 바람직하게는, 보정 신호(S_C)의 각각의 펄스, 펄스 구동 신호(S₁)의 각각의 펄스의 폭은 조정된다. 검출되는 퍼프를 표시하는 센싱 회로의 전압 출력의 변화 동안에 이런 조정이 바람직하게는 신호(S₁)의 각각의 펄스의 비율을 변화하도록 배열된다. 펄스 보정 신호(S_C)는 제 1 주파수 또는 제 2 주파수 중 어느 하나로 동작하는 펄스 구동 신호(S₁)의 매 x번째 펄스에서 펄스를 갖도록 배열될 수 있다. x는 임의의 적절한 값으로 예컨대 1000이다. 택일적으로, 펄스 보정 신호(S_C)는 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수에서 제 2 주파수로 전환하거나 임의의 다른 적당한 시간이면 언제든지 펄스를 갖도록 배열된다. 만약 펄스 구동 신호(S₁)를 공급하는 수단이 마이크로컨트롤러를 포함하고, 바람직하게는 펄스 보정 신호(S_C)가 마이크로컨트롤러의 출력에 제공된다.

센싱 저항은 실리콘 멤스 기반의 저항일 수 있다. 다른 실시예에서, 센싱 저항은 실리콘 멤스 기반 센서의 부품으로 형성될 수 있다. 센서가 기준 저항(reference resistor)을 더 포함할 수 있다.

센싱 회로는 제 1 레그(leg) 및 제 2 레그를 갖는 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 포함하고, 전압 출력이 제 1 레그에 걸리는 전압과 제 2 레그에 걸리는 전압 사이의 차이다.

본 발명의 제 2 측면에 따르면, 에어로졸-형성 기질을 수용하기 위한 에어로졸 발생 시스템을 제공하고, 시스템은 퍼프를 나타내는 에어로졸 발생 시스템에서 유체 흐름을 감지하기 위한 유체 센서 시스템을 포함하며, 본 발명의 제 1 측면에 따른 유체 센서 시스템이다.

에어로졸 발생 시스템은 전기적으로 가열된 에어로졸 생성 시스템일 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 흡연 시스템일 수 있다. 바람직하게는, 시스템은 포터블(portable)이다. 바람직하게는 시스템은 에어로졸-형성 기질을 수용하고 사용자에 의해서 붙잡히도록 설계되는 하우징을 포함한다.

에어로졸 형성 기질은 가열로 기질으로부터 방출되는 휘발성 담배 향기 합성물을 포함하는 담배 첨가 재료를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기질은 에어로졸 형성자(former)를 더 포함할 수 있다. 에어로졸-형성 기질은 고체 기질, 액체 기질, 기체 기질 또는 2개 이상의 고체, 액체, 기체의 혼합일 수 있다.

만약 에어로졸-형성 기질이 액체 기질이라면, 에어로졸 발생 시스템은 액체 기질 소스와 접촉하는 에어로졸화 메커니즘을 포함할 수 있다. 에어로졸화 메커니즘은 에어로졸을 형성하기 위해 기질을 가열하는 적어도 하나의 가열 소자를 포함하고, 여기서 에어로졸 발생 시스템이 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지할 때, 가열 소자가 동작할 수 있다. 택일적으로, 가열 소자가 분리될 수 있으나, 에어로졸화 메커니즘과 통신할 수 있다. 적어도 하나의 가열 소자가 단일 가열 소자 또는 하나 이상의 가열 소자를 포함할 수 있다. 가열 소자 또는 소자들은 에어로졸- 형성 기질을 가장 효과적으로 가열하기 위해서 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 가열 소자가 바람직하게는 전기적인 저항성 재료를 포함한다.

에어로졸화 메커니즘은 압전 소자와 같은 하나 이상의 전기 기계적인 소자를 포함한다. 에어로졸화 메커니즘은 정전기, 전자기 또는 공기 효과(pneumatic effect)를 사용하는 소자를 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 응축 챔버(condensation chamber)를 포함할 수 있다.

동작 중에, 기질은 에어로졸 발생 시스템 내에 완전하게 포함될 수 있다. 이 경우에, 사용자가 에어로졸 발생 시스템의 마우스피스(mouthpiece)로 퍼프를 할 수 있다. 택일적으로, 동작 중에 기질은 부분적으로 에어로졸 발생 시스템 내에 포함될 수 있다. 이 경우에, 기질은 분리된 물품의 일부를 형성할 수 있고 사용자가 분리된 물품(article)에 직접 퍼프를 할 수 있다.

에어로졸 발생 시스템은 파워 서플라이를 포함할 수 있다. 파워 서플라이가 리튬-이온 배터리일 수 있거나 그것의 변형 중에 하나로 예컨대 리튬-이온 폴리머 배터리 또는 니켈-금속 수소화물 배터리(Nickel-metal hydride battery), 니켈 카드뮴 배터리, 슈퍼 커패시터(super capacitor), 또는 연료 전지(fuel cell)일 수 있다. 택일적 실시예에서, 에어로졸 발생 시스템은 소정의 다수의 퍼프를 위한 전력을 제공하기 위해 배열되고 외부 충전 부분에 의해서 충전가능한 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 3 측면에 따르면, 에어로졸 발생 시스템에서 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하기 위해서 유체 센서 시스템을 구동하기 위한 방법이 제공되고, 센서 시스템은 퍼프가 기대되지 않거나 감지되지 않는 제 1 모드, 퍼프가 기대되거나 감지되는 제 2 모드에서 동작하도록 배열되고, 그 방법은 저항값(resistance)의 변화에 기초하여 유체 흐름을 감지하도록 배열되는 센싱 저항, 센싱 회로가 센싱 저항(resistor) 및 전압 출력을 포함하며, 센싱 저항의 저항값의 변화가 전압 출력의 변화를 초래하도록 배열된 센싱 회로, 펄스 구동 신호(S₁)가 하이일 때 전력을 공급받고 펄스 구동 신호(S₁)가 로우일 때 전력을 공급받지 않는 센싱 회로에 펄스 구동 신호(S₁)를 제공하는 단계; 및 제 1 모드의 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수(f₁)를 갖고, 제 2 모드의 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수(f₁)보다 더 큰 제 2 주파수(f₂)를 갖으며, 제 1 및 제 2 모드의 동작 사이에서 센서 시스템을 스위칭하는 단계;를 포함한다.

펄스 구동 신호(S₁)에 의해 유체 센서 시스템을 구동하는 것은 센싱 회로가 계속적으로 작동되지 않지만, S₁이 하이일 때에만 오직 작동하는 것을 의미한다. f₁ 및 f₂가 적절한 감도를 위해서 선택되는 동안에 이는 현저하게 전력 소모를 감소시킨다.

일 실시예에서, 제 1 및 제 2 모드의 동작 사이에서 센서 시스템을 스위칭하는 단계는, 퍼프가 검출될 때, 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수(f₁)를 갖는 제 1 모드에서 펄스 구동 신호(S₁)가 제 2 주파수(f₂)를 갖는 제 2 모드로 스위칭하는 것을 포함한다. 퍼프가 센싱 회로의 전압 출력의 변화에 의해서 검출된다. 택일적으로, 또는 추가적으로 제 1 및 제 2 모드의 동작 사이에서 센서 시스템을 스위칭하는 단계는, 사용자 습관(habit)에 기초하여 퍼프가 기대될 때, 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수(f₁)를 갖는 제 1 모드에서 펄스 구동 신호(S₁)가 제 2 주파수(f₂)를 갖는 제 2 모드로 스위칭하는 것을 포함한다. 퍼프가 기대될 때의 시간은 사용자의 습관에 기초하여 예상될 수 있다. 예컨대, 선행 퍼프 후에 소정의 시간 주기 및 하루 중 소정의 시간 중 어느 하나 이상일 때, 센서 시스템이 제 1 모드에서 제 2 모드로 스위치될 수 있다. 소정의 시간 주기가 사용자에 대한 퍼프들 사이의 평균 시간일 수 있고, 이는 적응적일 수 있어서 그것은 퍼프 사이에 시간의 이동 평균(running average)에 기초하여 계속적으로 조정된다. 택일적으로 소정의 시간 주기가 고정값(fixed value)일 수 있다. 만약 센서 시스템이 퍼프 전에 제 2 모드로 동작 중이라면, 응답 시간은 너무 짧을 수 있다는 것이 이것의 장점이다.

바람직하게는, 방법은 퍼프가 검출되는 것을 나타내는 센싱 회로의 전압 출력의 변화 후에 소정의 시간 주기 동안 제 2 주파수(f₂)의 펄스 구동 신호(S₁)를 제공하는 단계를 포함하고, 모든 다른 시간에는 제 1 주파수(f₁)의 펄스 구동 신호(S₁)를 제공하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 방법은 센싱 회로의 전압 출력이 퍼프가 검출되는 것을 나타낼 때 하이(high)인 신호(S₂), 퍼프가 검출되지 않는 것을 나타낼 때 로우(low)인 신호(S₂)를 에어로졸 발생 시스템의 그 밖의 구성 요소에 공급하는 단계를 더 포함한다. 신호(S₂)는 에어로졸화 메커니즘, 분무기, 가열 소자 및 퍼프 지시기 중 어느 하나를 동작시키기 위해서 사용될 수 있다.

본 방법은 센싱 회로의 가변 저항의 저항값을 주기적으로 조정하는 단계; 자동-조정 옵셋 회로를 제공하는 단계; 및 센싱 회로에 펄스 보정 신호(S_c)를 공급하는 단계;를 하나 이상 포함하는 센서 시스템의 감도를 조정하는 단계를 더 포함한다.

본 방법은 센싱 회로에 의해서 검출된 퍼프의 특징에 의존하여 사용자에게 에어로졸을 전달하는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 일 측면과 관련하여 설명된 특징은 또한 본 발명의 다른 측면으로 응용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 센서 시스템의 예시적인 실시예를 나타낸 도면
도 2a는 도 1의 신호(GP2)를 나타낸 도면,
도 2b는 퍼프의 부재시 도 1의 신호(V_OUT)를 나타낸 도면,
도 2b는 퍼프가 검출될 때 도 1의 신호(V_OUT)를 나타낸 도면,
도 3은 휘스톤 브리지의 형성에서, 도 1의 센싱 회로를 위한 택일적 배열을 나타낸 도면,
도 4는 휴지 설정 지점(relaxation setting point)이 정해지는 방법을 나타낸 도면,
도 5는 도 1의 센서 시스템의 동작 방법을 나타낸 도면이다.

본 발명의 센서 시스템에서 사용하는 적절한 센서는 실리콘 기질, 기질에 질화 규소 막(silicon nitride membrane) 및 막(membrane)에 2개의 백금 가열 소자를 포함할 수 있다. 2개 가열 소자는 저항이고, 하나는 액츄에이터 및 센서로써 동시에 동작하고, 다른 것은 레퍼런스(reference)로써 동작한다. 그러한 센서는 그것이 빠른 센서 응답을 제공하기 때문에 유익하다. 물론 그 밖의 적절한 센서가 사용될 수 있다. 동작 중에, 인접한 유체 흐름에 의해 냉각됨으로써 센싱 저항의 저항값의 변화가 있다. 저항값의 이런 변화는 열적 손실(thermal loss)에 기인한다.

센싱 저항이 일정한 온도에서 사용될 수 있고, 그 경우에는 증가된 필요 가열 전력이 측정되고 유체 흐름의 표시(indication)를 제공한다. 택일적으로 센싱 저항은 일정한 가열 전력으로 사용될 수 있고, 그 경우에는 감소된 온도가 유체 흐름의 표시를 제공한다. 택일적으로, 센싱 저항이 도 1 및 3을 참조하여 아래에서 설명되는 것처럼 정전류로 사용되는 경우에, 센싱 회로의 평형(equilibrium)의 변화가 유체 흐름의 표시를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 센서 시스템의 예시적인 실시예를 나타낸다. 도 1의 센서 시스템(101)은 센싱 회로(103), 전류 미러의 형태인 소정의 값인 전류원(105), 차동 증폭기(107), 마이크로 컨트롤러 형태인 펄스 구동 신호(S₁)를 공급하기 위한 신호 발생기(109) 및 구동 트랜지스터(111)를 포함할 수 있다.

도 1의 센서 시스템(101)은 센싱 회로(103)를 포함한다. 센싱 회로(103)는 저항(R₁ 및 R₄) 및 왼쪽 가지(left hand branch)에 가변 저항(R_v) 및 저항(R₂ 및 R₃) 및 오른쪽 가지(right hand branch)에 센싱 저항(R_s)을 포함한다. 센싱 저항(R_s)은 상기에서 설명된 것과 같은 센서 또는 다른 적합한 형태의 센서의 센싱 저항이다. R_v는 조정가능한 저항이고 아래에서 더 설명되는 것처럼 휴지 설정 지점(relaxation setting point)(예컨대, 시스템에서 공기 흐름이 없는 때)을 정하기 위해 사용될 수 있다. 택일적으로, 자동 조정 옵셋 회로(self-adjusting offset circuit)는 휴지 설정 지점을 정하기 위해서 사용될 수 있다. 이런 실시예에서, 마이크로컨트롤러의 출력은 차동 증폭기(도 1에는 미도시)의 비반전 입력과 연결될 수 있고 차동 증폭기의 V_OUT은 마이크로컨트롤러의 입력에 연결될 수 있다. 마이크로컨트롤러는 차동 증폭기의 출력(V_OUT)을 감시하기 위해 사용될 수 있고 V_OUT = 0 일 때까지 차동 증폭기의 비반전 입력에 전압을 투입할 수 있다.

측정된 전압(V_DIFF)은 차동 측정(difference measurement)이다(이러한 예시적인 경우, 왼쪽 가지(A)의 V₁과 오른쪽 가지(B)의 V₂사이 차이). 센싱 회로(103)가 균형적일 때, 왼쪽 가지의 저항값 비율,

은 오른쪽 가지의 저항값 비율,

과 같고, 이는 V_DIFF = V₂ - V₁ 이 영(zero)과 같은 결과를 초래한다. R_s가 유체 흐름에 의해서 냉각되자마자, R_s의 저항값 변화가 있고, 이는 오른쪽 가지(B)의 전압을 변화하게 하고, V_DIFF가 영이 아닌 값을 초래한다.

도 1의 센싱 회로(103)에 대해 용이하게 도시될 수 있다.

만약 R_v + R₄ = R₁ 이고 R_s + R₃ = R₂ 이면,

차동 측정(V_DIFF)은 R_s의 저항값의 변화를 초래하는 유체 흐름의 표시를 제공한다. 왜냐하면 V_DIFF는 차동 측정이고, 매우 정확한 측정은 유체 흐름의 작은 변화에 대해서 조차 저항값을 얻을 수 있다. 구성(configuration)은 퍼프 부피 및 밀도와 같은 정보를 기록한다. 수학식 1에서 V_DIFF가 센싱 저항(R_s)과 선형적으로 의존하지 않는다는 것을 주목하라.

도 1의 실시예에서, 소정의 값인 전류원은 저항(R_REF)이 더해지고, 미러 구성(mirror configuration)인 2개의 트랜지스터(T₁ 및 T₂)를 포함하는 전류 미러(105)의 형태이다. T₂에 흐르는 전류(I_M)는 T₁의 I_REF(이는 또한 센싱 회로(103)을 통해 흐르는 전류)와 같아야 한다. 그리고,

이고

따라서,

센싱 회로의 비선형성(상기 수학식 1과 수학식 2를 참조)은 전류 미러에 의해서 보정된다. 시스템에서 이런 방식으로 비선형성을 보정하기 때문에 이는 장점이고, 비선형성이 전압 변화에 의해서 보상되는 시스템의 비선형성보다 2배 이하로 발견된다. 따라서, 도 1의 실시예에 따른 전류 미러(105)는 시스템의 비선형성을 감소시킨다.

전류 미러(105)는 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다. 전류 미러는 도 1에서 도시된 것처럼 센싱 회로와 접지(ground)사이 보다는 센싱 회로(103)의 하이 전압측면에 위치할 수 있다. PNP트랜지스터, NPN트랜지스터, CMOS트랜지스터를 포함하는 임의의 적절한 트렌지스터 종류가 T₁ 과 T₂를 위해 사용될 수 있다. 전류원을 위한 택일적인 배열이 또한 가능하다. 센서 시스템은 합리적인 온도 범위에서 올바르게 동작해야 하고, 전류 미러(105)가 임의의 온도 변화를 보상한다. 그 밖의 온도-보상 전류원이 또한 이용될 수 있다. 만약 외부 온도가 변화하면, 센싱 회로의 출력 전압, V_DIFF은 부정확한 동작 또는 측정을 초래할 수 있도록 영향을 받을 수 있다. T₁ 및 T₂는 동일한 전기적 특징을 갖고, 서로 가까이 배열되며, 그들 사이에 임의의 온도 차이를 최소화하기 위해 유사한 방식으로 패키징한다.

전류 미러(105)의 특정 배열을 참조하면, 다른 한편으로, 만약 T₁ 과 T₂사이에 온도 차이가 있다면, 2개의 트랜지스터가 그들의 베이스-이미터 접합을 가로질러 동일한 전위차(V_BE)를 갖고, V_BE는 동일하게 유지된다. 이는 2개의 트랜지스터가 다른 온도에 있다면, V_BE를 유지하기 위해서는 T₁을 통과하는 전류와 T₂를 통과하는 전류가 서로 다르다는 것을 의미한다. 다른 한편으로, 만약 T₁ 과 T₂에 동일한 영향을 주기 위해서 외부 온도를 바꾼다면, 동일한 V_BE를 유지하기 위해서 양쪽 트랜지스터를 통해서 흐르는 전류는 동일하게 변화한다.

센서 시스템(101)은 또한 전형적으로 오직 수 밀리볼트(millivolts)인 출력 전압(V_DIFF)을 증폭하기 위해서, 센싱 회로(103)의 출력에 차동 증폭기(107)를 포함한다. 도 1에서, 미국 매세추세츠의 Analog Devices Inc에 의해 만들어진 AD623 증폭기가 사용된다. 그러한 증폭기는 0.5mA보다 작은 전류를 사용하고 1000이상의 이득(gain)을 갖는다. 그러나, 임의의 적절한 차동 증폭기가 대체될 수 있다. 증폭기(107)는 전압(V_s)을 공급하기 위해 연결되고, 증폭기의 이득은 다음의 수학식 3에 따라 저항(R_G)에 의해 정해진다.

그래서, 약 1000의 이득을 위해서, R_G는 100Ω으로 설정한다.

수학식 3은 오직 V_DIFF의 특정 범위를 가로질러서 적용한다. 이런 범위의 어느 한쪽에서, 증폭기가 포화될 수 있다. 일 예에서, 만약 V_DIFF = 0 V이면 V_OUT = 1.5V이다. 만약 V_DIFF < -1.5mV이면, V_OUT가 0 V로 포화된다. 만약 V_DIFF > +1.5mV 이면, V_OUT가 3V에서 포화된다. -1.5mV < V_DIFF < +1.5mV 범위 내에서, 수학식 3을 적용하여 즉, R_G가 100Ω으로 설정되면, 관계(relationship)가 약 1000인 이득과 동일한 기울기(gradient)로 선형적이다.

센서 시스템(101)은 또한 마이크로컨트롤러(109) 및 구동 트랜지스터(111)를 포함한다. 일 실시예에서, 마이크로컨트롤러는 입력(GP0) 및 출력(GP2 및 GP4)을 갖는다. 도 1에서 센싱 회로(103) 및 전류 미러(105)가 가장 큰 전력 소모자이다. 전력 소모를 줄이기 위해서, 센싱 회로(103) 및 전류 미러(105)가 연속적으로 구동되지 않고, 그러나 오히려 마이크로컨트롤러(109)로부터의 펄스 구동 신호(S₁)에 의해서 구동된다. 펄스 전류(I_REF)는 구동 트랜지스터(111)를 통해서 마이크로컨트롤러(109)의 출력(GP2)의 신호(S₁)와 일치하여 전류 미러(105) 및 센싱 회로(103)에 적용된다. 구동 트랜지스터(111)는 GP2 신호가 하이(high)일 때 도전하는(conducting) 스위치처럼 동작한다. 펄스의 폭과 주파수가 마이크로컨트롤러(109)에 의해서 제어된다. 이런 실시예에서, 출력(V_OUT)은 차동 증폭기 출력을 디지털화하기 위해서 마이크로컨트롤러의 입력(GP0)과 연결된다. 출력(GP0)이 관측되고 GP2의 펄스 신호의 폭과 주파수가 적절히 조정될 수 있다. 도 1의 일 실시예에서, 마이크로컨트롤러(109)는 미국, 아리조나의 Microchip Technology, Inc.에 의해 만들어진 PIC12f675 시리즈 CMOS 플래시 기반의 8 비트 마이크로 컨트롤러이다. 마이크로컨트롤러는 공급 포트(supply port), 접지 포트(ground port) 및 4개의 아날로그 디지털 변환 포트를 포함하는 6개 입력/출력(I/O) 포트(GP0 에서 GP5)를 포함한다. 그것은 3V에서 기능을 할 수 있다. 물론, 임의의 적당한 마이크로컨트롤러가 사용될 수도 있다.

도 2a는 마이크로컨트롤러 출력(GP2)의 구형파 신호(신호(S₁)) 중 하나의 펄스를 도시한다. 도 2b는 퍼프의 부재시 GP2신호가 어떻게 V_OUT 신호에 영향을 주는지를 도시한다. 도 2a는 GP2에 대한 시간 대비 전압을 도시한다. 도 2b는 V_OUT에 대한 시간 대비 전압을 도시한다. 도 2a 및 2b의 그래프는 스케일되지 않는다. 도 2a에서 GP2 신호의 각각의 펄스가 도 2a의 3개의 상태로 표시된 f,g 및 h으로 나눠진다. 이런 상태들은 아래에서 논의될 수 있다. 도 2b의 V_OUT 신호는 표시된 a,b,c,d 및 e인 5개 상태로 쪼개진다.

a 상태에서, GP2 신호는 0 V 이다. 이는 펄스 이전이다. 따라서, 전류가 센싱 회로(103)로 공급되지 않는다. 센싱 저항(R_S)은 그것을 통해서 흐르는 전류가 없고, 그래서 그것은 주변의 대기 온도이다. V_DIFF가 0 V인 센싱 회로(103)의 출력은, 상기에 설명한 것처럼 1.5V의 출력(V_OUT)을 생산한다.

b 상태에서, GP2 신호는 3 V이다. 전류가 즉시 센싱 회로(103)에 공급되고 R_s의 온도가 증가하기 시작하는 것을 의미한다. 센싱 회로(103)의 출력(V_DIFF)은 1.5 mV보다 더 크게 증가하고, 이는 증폭기 출력(V_OUT)이 3 V에서 포화되는 것을 의미한다.

c 상태에서, R_s의 온도가 계속 증가하고 이는 센싱 회로(103)의 출력이 감소하기 시작한다. 선형 응답이 증폭기 출력(V_OUT)으로부터 얻어지도록 V_DIFF가 1.5mV의 포화 수준 아래로 떨어진다. 그래서, R_S가 상승함으로써 V_OUT가 V_DIFF와 선형적으로 떨어진다.

d 상태에서, R_S의 온도는 V_DIFF가 -1.5mV 보다 작도록 충분히 상승하고 증폭기 출력(V_OUT)이 이때 0V에서 다시 포화한다.

e 상태에서, GP2의 펄스가 종료하고 GP2 전압은 다시 0V에 있다. 전류가 더이상 센싱 회로(103)에 공급되지 않고, 이는 출력(V_DIFF)이 a 상태와 마찬가지로 1.5 V의 출력(V_OUT)을 생산하는 0V이라는 것을 의미한다. R_S는 다음 펄스에 앞서서 온도가 감소한다.

이 시스템에서, 퍼프가 V_OUT의 c 상태 동안, 즉 차동 증폭기의 선형 응답 동안에 검출될 수 있다. 전형적인 배열에서, 센서 히터 저항값이 제로 흐름의 균일한 온도에 도달하게 된 때 센싱 회로(103)가 그것의 평형인 V_DIFF = 0에 도달되도록 설정된다. 정전류(constant current)로, 이는 센서 히터 저항값이 평형 온도에 도달하도록 충분히 오랫동안 센서에 전류를 공급하는 것을 의미한다. 이는 센서의 높은 전력 소모를 의미한다. 본 발명의 일 실시예에서, 히터 저항값이 없거나 오직 그것의 평형 온도에 도달할 수 있도록 펄스를 설정함으로써 전력 소모가 감소된다.

도 2c는 퍼프가 검출될 때 V_OUT의 신호를 도시한다. 도 2c가 V_OUT에 대한 시간 대비 전압을 도시한다. 다시 말해서, 도 2c의 그래프는 스케일되지 않는다. 퍼프가 검출될 때, 유체 흐름 결과가 V_OUT 기울기(c 상태)를 오른쪽으로 이동하게 한다. 기울기의 이동의 크기는 흐름 속도(flow velocity)와 비례한다. 기울기가 오른쪽으로 이동함에 따라, 이는 궁극적으로 V_OUT 신호를 도 2a에 도시된 GP2 구동 신호와 동일한 형태가 되게 한다. 이는 도 2c에서 도시된다. c 상태 기울기가 시작할 때와 같은 시간 또는 그 전에 GP2 신호가 영(zero)으로 된다. 퍼프가 GP2 펄스의 종료 직전에 검출된다. 만약 V_OUT신호가 디지털화되면(GP0를 통해서), 만약 그것의 값이 문턱값(threshold value) 이상이면, 퍼프가 검출된 것으로 간주 된다. 그래서, 임의의 유체 흐름이 없고 측정 전에 V_OUT이 0V 인 것은 중요하다.

도 3은 센싱 저항(R_S)을 포함하는 4분의 일의 휘스톤 브리지 구성(303)의 형태로, 센싱 회로(103)를 위한 택일적인 배열을 도시한다. 휘스톤 브리지의 4개 면은 각각의 R₁ , R_v (왼쪽 레그 A'에서), R₂ 및 (R₃ + R_S)(오른쪽 레그 B')를 포함한다. 다시 말해서, R_v는 적절한 저항값이고 휘스톤 브리지의 설정치(setting point)를 정하기 위해서 사용된다. 그것은 센서 저항값의 작은 변화를 검출하도록 허용하기 때문에 브리지 배열은 장점이 있다. 추가적으로, 이런 배열은 주변 공기 온도의 변화가 생김으로써 초래되는 변화를 감소시킨다.

도 4는 가변적인 저항값 R_v 또는 자동 조정 옵셋 회로가 어떻게 센서 시스템의 감도를 조정하고 센싱 회로(103) 또는 휘스톤 브리지(303)의 휴지 설정치(relaxation setting point)를 정하기 위해서 사용될 수 있는지 도시한다. 도 2b의 상태 b, c 및 d를 참고하여 설명했던 것처럼, 센서 저항값(R_s)은 구동될 때, 마이크로컨트롤러(109)에 의해서 생성된 신호(GP2)의 펄스 폭에 의해서 결정된 값까지 상승한다. R_v 또는 자동 조정 옵셋 회로가 R_s에서 일어나는 이런 변화를 전압 수준에서 결정하도록 사용할 수 있고 이는 도 4에 도시된다.

온도의 변화에 따라 R_S가 취할 수 있는 값의 범위는, 도 4의 범위(401)에서 도시된다. R_v 조정 또는 자동 조정 옵셋 회로 사용의 영향은 화살표(403)에 의해서 나타내는 것처럼, 대각선에 따르는 범위(401)를 움직인다. 완화 설정치가 R_s의 전압 변화가 대체된 지점에 있다. 도 4에서의 대각선에 따르는 R_s의 범위(401)의 이동은 왼쪽 또는 오른쪽으로 도 2b에서의 V_OUT의 상태 c의 기울기 움직임과 대응한다. 최고 감도는 도 4에서의 범위(401)가 시작하거나 바로 영(zero) 아래일 때 성취되고, 이는 도 2b의 GP2 펄스 종료 직전 또는 상태 c의 기울기 위치의 V_OUT에 대응한다.

도 5는 도 1 배열의 동작 방법의 일 실시예를 도시한다. 도 5의 3단의 상단은 GP2(신호(S₁))에 대한 시간 대비 전압을 도시한다. 도 5의 3단의 중앙은 V_OUT 에 대한 시간 대비 전압을 도시한다. 도 5의 3단의 하단은 마이크로컨트롤러 출력(V_CTRL)(GP4에서 신호(S₂)에 대응하는)에 대한 시간 대비 전압을 도시한다. 도 5의 그래프는 스케일되지 않는다. 이미 설명한 것처럼, 전력 소모를 최소화하기 위해서, 센싱 회로(103) 또는 휘스톤 브리지(303) 및 전류 미러(105)가 GP2의 펄스 구동 신호(S₁)로 작동된다. GP2의 하나의 구형파가 도 2a에 도시된다. 도 5의 왼쪽 편은 제 1 모드에서 동작하는 신호를 도시한다. 도 5의 오른쪽 편은 제 2 모드에서 동작하는 신호를 도시한다.

도 5의 왼쪽 편은 퍼프가 검출되지 않을 때 동작의 방법으로, 신호가 제 1 모드에서 동작하는 것을 도시한다. 펄스 주파수, 그런데 신호가 제 1 모드에서 동작하는, 이 실시예에서 3Hz이고, 즉 펄스가 대략 매 330ms이다. 이런 주파수는 감도 및 전력 소모 사이에 좋은 절충이다. 일 실시예에서 GP2의 펄스 폭은 12.1ms이다. 따라서, 전압(V_OUT)은 도 5의 왼쪽 측면에 도시된 형태를 갖는다. 도 5의 왼쪽편의 낮은 절반에 있는 V_OUT의 각 펄스는 도 2b에서 도시된 형태를 갖지만, 펄스 형태가 오직 도 5에서 도식적으로 도시된다. 도 5의 왼쪽 편에서, 퍼프가 검출되지 않아서 펄스 형태가 도 2c에서 도시된 것보다는 도 2b에서 도시된 것과 같다.

도 5의 오른쪽 편은 퍼프가 검출되고 신호가 제 2 모드로 동작하는 때의 동작의 방법을 도시한다. 퍼프가 시간(501)에 검출된다. 도 5의 오른쪽 편의 3단 중앙에서 볼 수 있는 것처럼, V_OUT 펄스의 낮은 부분(상태 c 기울기의 바닥)이 더 큰 값을 갖기 때문에 퍼프가 검출된다. GP2 신호가 0V로 복귀함으로써, 기울기가 상태 d로 도달하기 전에 차단되도록, 이는 상태 c의 기울기가 오른쪽으로 이동하는 유체 흐름과 관련된다. 퍼프가 시간(501)에서 검출될 때, 도 5의 오른쪽 편의 3단의 하위에 도시된 것처럼, V_CTRL이 켜지기 위해서 입력(GP0)의 검출이 GP4 출력 신호(S₂)를 0 에서 1로 전환한다. 입력(GP0)의 검출은 또한 GP2의 펄스 주파수의 변화를 초래하고 시스템이 제 2 모드에서 동작을 시작하게 한다. 물론, GP4 신호 변화가 또한 다른 회로 예컨대, 에어로화 메커니즘(aerolization mechanism), 분무기, 가열 소자, 및 퍼프 지시자(puff indicator) 등을 제어하기 위해서 사용될 수 있다. 당장 일 실시예에서, 제 2 모드의 GP2의 펄스 주파수는 22 Hz이고, 즉 도 5의 오른쪽 편의 3단 상단에 도시된 것처럼, 펄스가 대략 매 45ms이다. 펄스 폭이 제 1 모드에서처럼 존재하고, 즉 일 실시예에서 12.1ms임을 주목하라. V_OUT 신호의 낮은 부분이 점선 커브로 표시된 것(503)을 따른다는 것을 주목하라. 오른쪽으로 이동하는 V_OUT의 총 기울기가 흐름 속도에 비례하기 때문에 이 곡선은 퍼프 프로필(profile)이다. V_OUT 신호의 낮은 부분이 증가함으로써, 흐름 속도가 영에서 그것의 최대로 증가하고, V_OUT 신호의 낮은 부분이 그것의 최대에서 영으로 감소함에 따라 흐름 속도가 최대에서 영으로 감소한다.

일 실시예에서, 시스템은 적절히 조정된다, 이는 곡선(503)으로부터 볼 수 있고, 오로지 접근하지만 V_OUT의 하이값을 초과하지 않는다. 이는 도 4에서 R_s(401)의 시작하는 점 또는 영 바로 아래와 같고 GP2 펄스의 종료 직전 또는 종료 시에 위치하는 V_OUT 상태 c의 기울기와 같다. 이런 조정은 도 4를 참고하여 상술한 것처럼 R_v의 변화 또는 옵셋 회로에 의해서 성취될 수 있거나 이하에서 설명되는 택일적인 조정 방법에 따라 성취될 수 있다.

시간(505)에서, 변화가 V_OUT에서 다시 검출되지 않을 때, 출력(V_CTRL)은 0V로 복귀한다. 그것이 3 Hz의 제 1 주파수로 복귀하는 때, 시간(501)에서 시간(507)까지 퍼프가 검출된 후 소정의 시간 주기 동안에 GP2 펄스는 22 Hz의 제 2 주파수로 남아있다. 이런 시간 주기(501 에서 507)은 미리 설정되거나 사용자의 습관일 수 있다. 예컨대, 시간 주기가 2개의 퍼프 사이 평균 시간 주기에 대응할 수 있다.

따라서, 제 1 모드 동안에, GP2 펄스 주파수가 3Hz 일 때, 최악의 시나리오에서, 제 1 퍼프를 위한 시간은 대략 330ms 이다. 만약 퍼프가 제 2 모드 동안에 감지되면, GP2 펄스 주파수가 22Hz일 때, 최대 응답 시간은 더 빠르고, 최악 경우의 시나리오에서, 퍼프를 위한 시간은 대략 45ms이다.

퍼프를 나타내는 V_OUT 신호는, 기록될 수 있고 임의의 다양한 데이터로 사용될 수 있다. 예컨대, 퍼프를 위한 평균 전체 시간은 V_OUT 신호로부터 기록될 수 있다. 이는 도 5의 시간(501 에서 505)이다. 또한, 곡선(503)의 기울기는 사용자가 빨아들이는 힘(force) 또는 밀도(intensity)를 연산하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 퍼프 부피가 시간(501에서 505)에 걸쳐서 퍼프 프로필(503)로부터 결정될 수 있다. 또한, 퍼프 사이의 평균 시간은 V_OUT 신호(단순화를 위해 비록 오직 하나의 퍼프가 도 5에 도시되었어도)로부터 기록될 수 있다.

이런 정보는 마이크로컨트롤러로 공급될 수 있고, 이는 동작에서 많은 양의 유연성(flexibility)을 허용한다. 예컨대, 퍼프 사이에 기록된 시간으로부터, 마이크로컨트롤러가 사용자 습관과 일치하는 높은 주파수로 존재하는 GP2 동안의 시간 주기(501 에서 507)를 채택할 수 있다. 추가적인 예에 따라, 사용자 습관에 기초하여 다음 퍼프가 예상될 때의 시간에 마이크로컨트롤러가 낮은 주파수 GP2 펄스에서 높은 주파수 GP2 펄스로 자동적으로 전환할 수 있다. 이는 응답 시간, 즉 퍼프를 위한 시간을 감소시킬 수 있다. 추가적인 예에 따라, 사용자가 끌어당기는 힘은 기록될 수 있고, 사용자에게 맞도록 에어로졸 전달(delivery) 예컨대, 액츄에이터, 에어로졸화 메커니즘 또는 가열 소자 등을 관리하기 위해 사용될 수 있다.

도 5에서 도시된 동작 방법은 마이크로컨트롤러 소프트웨어에 의해 실행될 수 있다. 먼저, 소프트웨어가 동작하고 마이크로컨트롤러를 시작한다. 다음 소프트웨어가 전기적 안정화를 수행한다. 이런 과정이 완료되면, 마이크로컨트롤러가 GP2에서 펄스를 생성하는데 사용할 수 있고 V_OUT의 응답을 판독할 수 있다. 만약 V_OUT 가 0.1V 보다 크지 않다면, 퍼프가 검출되지 않고, 이 경우에 GP2 신호(S₁)가 제 1 펄스 주파수, 3Hz로 설정된다. 마이크로컨트롤러가 제 1 펄스 주파수로 펄스를 계속 생성하고 퍼프가 검출될 때까지 V_OUT의 응답을 판독한다.

만약 V_OUT가 0.1V보다 크면, 퍼프가 검출되고, 이 경우에 카운트다운 타이머가 시작된다. 이것은 도 5의 시간(501)에 대응한다. GP4로 마이크로컨트롤러 출력(V_CTRL)은 하이로 설정되고 GP2 신호가 제 2 펄스 주파수, 이 경우에 22Hz로 설정된다. 마이크로컨트롤러가 GP2에서 제 2 주파수의 펄스를 생성하고 V_OUT의 응답을 판독한다. V_OUT가 0.1V보다 더 크면, 퍼프가 여전히 검출되고, 이 경우에 GP2 펄스(S₁)가 여전히 제 2 주파수로 펄스화되며, GP4로 마이크로컨트롤러 출력(V_CTRL)은 하이를 유지한다.

V_OUT가 0.1V보다 크지 않다면, 퍼프가 더이상 검출되지 않는다. 이는 도 5에서 시간(505)에 대응한다. 이 경우에, V_CTRL은 로우로 설정된다. 그 다음, 만약 카운트다운 타이머가 영이 아니라면, GP2 펄스가 높은 주파수를 유지해야하는 동안의 시간 주기가 여전히 만료되지 않고, 도 5의 시간(507)은 여전히 도달하지 않는다. 이 경우에, GP2 펄스 신호(S₁)는 높은 주파수로 존재한다.

만약 카운트다운 타이머가 영이라면, GP2 펄스가 높은 주파수를 유지해야 하는 시간 주기가 만료하고, 즉 도 5의 시간(507)이 도달된다. 이 경우에, GP2 펄스 신호(S₁)는 제 1 낮은 주파수로 복귀한다.

상기에서 설명한 것처럼, 시스템의 감도가 R_v를 조정하거나 증폭기의 출력(V_OUT)이 0V일 때까지 차동 증폭기의 비반전 입력으로 전압을 인가함으로써 설정될 수 있다. 다른 방법은 보정 신호(S_C)를 사용하는 것이다. 보정 신호(S_C)의 펄스가 예컨대 GP2의 신호(S₁)의 매 X 펄스(예컨대 1000펄스)로 주기적으로 또는 GP2 신호가 제 2 모드(22 Hz)에서 제 1 모드(3 Hz)로 변화할 때마다 생성된다. 다시 한번 도 2a를 참조하면, 보정 펄스가 즉 V_OUT이 0V인 상태 d 동안에 시정수(constant time) 주기를 유지하도록 사용된다. 만약 보정 펄스가 사용된다면, GP2의 펄스 폭은 더 이상 고정되지 않고 가변적이다. GP2 펄스가 도 2a에 도시된 것처럼 3가지 상태 f, g 및 h로 나눠진다. 보정(calibration) 동안에, 상태 f에서 고정된 시간 주기(일 실시예에서 6ms)를 갖는, GP2 신호가 V_OUT 신호에 상관없이 3V로 하이가 유지된다. 상태 g에서, V_OUT 신호가 감시되고, V_OUT가 0V보다 더 큰 값을 유지하는 만큼 오랫동안(그래서 도 2b에서 도시되는 - 상태 b 또는 c 중 어느 하나), GP2 신호는 3V로 하이(high)를 유지한다. V_OUT신호가 0V에 도달하자마자(도 2b에 도시되는 - 상태 d), 시간은 기록되고, V_OUT의 상태 d에 대응하는 GP2의 상태 h에 대한 시간 주기가 고정된 시간 주기(일 실시예에서 300㎲)로 설정된다. 보정 동안에, 일 실시예에서, 만약 V_OUT이 14ms의 전체 펄스 시간(f+g+h) 이후에 0V에 도달하지 않는다면, 퍼프가 검출된 것으로 간주된다.

정상적인 동작 모드에서, GP2의 전체 펄스 폭은 f+g+h 이다. 보정 동안의 기록된 시간(g)은 전체 펄스 길이의 연산을 위해 사용된다. 감도를 설정하기 위해 시스템을 보정하는 이런 방법은 다음의 이유 때문에 매우 이점이 있다. 첫번째로, 조정할 수 있는 저항(R_v)은 고정된 저항에 의해서 대체될 수 있다. 두번째로, 펄스 보정 신호(S_C)가 펄스를 갖을 때마다 자동 보정이 발생한다. 이는 생산하는 또는 유지하는 동안에, 시스템이 스스로 자동적으로 최상의 감도로 조정할 수 있는 것처럼, 시스템의 임의의 구성요소가 수동으로 보정할 필요가 없음을 의미한다. 일 실시예에서 선택된 시간 윈도우인 6ms에서 14ms는 주변 온도에 임의의 변화 및 다양한 전기적 구성요소의 응답을 허용하기에 충분히 크지만, 임의의 적절한 시간 윈도우가 선택될 수 있다.

Claims

퍼프(puff)가 기대되지 않거나 검출되지 않는 제 1 모드, 및 퍼프가 기대되거나 검출되는 제 2 모드에서 동작하도록 배열되고, 에어로졸 발생 시스템에서 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하기 위한 유량 센서 시스템으로서,
센싱 저항(resistor) 및 전압 출력을 포함하는 센싱 회로; 및
펄스 구동 신호(S₁)가 하이(high)일 때 신호(S₁)에 의해 센싱 회로에 전력이 공급되고 펄스 구동 신호(S₁)가 로우(low)일 때 센싱 회로에 전력이 공급되지 않도록, 센싱 회로에 전력을 공급하기 위하여 센싱 회로에 펄스 구동 신호(S₁)를 공급하도록 배열된 신호 발생기;를 포함하되,
펄스 구동 신호(S₁)는 제 1 모드에서 제 1 주파수(f₁)를 갖고, 제 2 모드에서 제 1 주파수(f₁)보다 더 큰 제 2 주파수(f₂)를 가지며,
신호 발생기는 센싱 회로에 의해 퍼프가 검출되거나 퍼프가 기대되는 때에 제 1 모드로부터 제 2 모드로 스위칭되도록 배열되고,
센싱 저항은 저항값(resistance)의 변화에 기초하여 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하도록 배열되고,
센싱 회로는 센싱 저항의 저항값의 변화가 전압 출력의 변화를 초래하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템.
제 1 항에 있어서,
미리 결정된 값의 전류를 센싱 회로를 통해서 공급하도록 배열된 전류원을 더 포함하되, 펄스 구동 신호(S₁)가 전류원에 공급되는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
센싱 회로의 전압 출력을 증폭하도록 배열된 차동 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템.
제 3 항에 있어서,
차동 증폭기 출력은 센싱 회로의 전압 출력값 범위 내에서 센싱 회로의 전압 출력에 비례하고, 센싱 회로의 전압 출력이 상기 범위보다 더 작거나 더 클 때 포화되는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
센서 시스템의 감도(sensitivity)를 조정하는 수단을 더 포함하되, 감도를 조정하는 수단은,
센싱 회로의 가변 저항;
자동 조정 옵셋 회로(self-adjusting offset circuit); 및
센싱 회로에 펄스 보정 신호(pulsed calibration signal: S_c)를 공급하는 신호 발생기;
중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
센싱 회로가 제 1 레그(leg) 및 제 2 레그를 갖는 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 포함하고, 전압 출력이 제 1 레그에 걸리는 전압과 제 2 레그에 걸리는 전압 사이의 차이인 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템.
에어로졸 형성 기질을 수용하기 위한 에어로졸 발생 시스템으로서,
에어로졸 발생 시스템에서 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하기 위한 유량 센서 시스템을 포함하고, 유량 센서 시스템은 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 유량 센서 시스템인 것을 특징으로 하는 에어로졸 형성 기질을 수용하기 위한 에어로졸 발생 시스템.
제 7 항에 있어서,
에어로졸을 형성하기 위해 기질을 가열하는 적어도 하나의 가열 소자;를 더 포함하고,
유량 센서 시스템은 유량 센서 시스템이 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지할 때 가열 소자를 작동하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 에어로졸 형성 기질을 수용하기 위한 에어로졸 발생 시스템.
퍼프가 기대되지 않거나 검출되지 않는 제 1 모드, 및 퍼프가 기대되거나 검출되는 제 2 모드에서 동작하도록 배열되고, 에어로졸 발생 시스템에서 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하기 위한 유량 센서 시스템을 구동하는 방법으로서,
펄스 구동 신호(S₁)가 하이일 때 신호(S₁)에 의해 센싱 회로에 전력이 공급되고 펄스 구동 신호(S₁)가 로우일 때 센싱 회로에 전력이 공급되지 않도록, 센싱 회로에 전력을 공급하기 위하여 센싱 회로에 펄스 구동 신호(S₁)를 공급하는 단계; 및
펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 모드에서 제 1 주파수(f₁)를 갖고, 펄스 구동 신호(S₁)가 제 2 모드에서 제 1 주파수(f₁)보다 더 큰 제 2 주파수(f₂)를 가지며, 센싱 회로에 의해 퍼프가 검출되거나 퍼프가 기대되는 때에 제 1 및 제 2 모드의 동작 사이에서 센서 시스템을 스위칭하는 단계;
를 포함하고,
센싱 회로는 센싱 저항 및 전압 출력을 포함하고, 센싱 저항은 센싱 저항의 저항값의 변화에 기초하여 퍼프를 나타내는 유체 흐름을 감지하도록 배열되고, 센싱 회로는 센싱 저항의 저항값의 변화가 전압 출력의 변화를 초래하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템을 구동하는 방법.
제 9 항에 있어서,
제 1 및 제 2 모드의 동작 사이에서 센서 시스템을 스위칭하는 단계는, 퍼프가 검출될 때, 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수(f₁)를 갖는 제 1 모드로부터 펄스 구동 신호(S₁)가 제 2 주파수(f₂)를 갖는 제 2 모드로 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템을 구동하는 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
제 1 및 제 2 모드의 동작 사이에서 센서 시스템을 스위칭하는 단계는, 사용자 습관(habit)에 기초하여 퍼프가 기대될 때, 펄스 구동 신호(S₁)가 제 1 주파수(f₁)를 갖는 제 1 모드로부터 펄스 구동 신호(S₁)가 제 2 주파수(f₂)를 갖는 제 2 모드로 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템을 구동하는 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
신호(S₂)를 에어로졸 발생 시스템의 다른 구성요소들에게 공급하는 단계를 더 포함하고, 신호(S₂)는 퍼프가 검출되고 있다는 것을 센싱 회로의 전압 출력이 나타내는 때에 하이(high)이고, 신호(S₂)는 퍼프가 검출되고 있지 않다는 것을 센싱 회로의 전압 출력이 나타내는 때에 로우(low)인 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템을 구동하는 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
센싱 회로에서 가변 저항의 저항값을 주기적으로 조정하는 단계;
자동-조정 옵셋 회로를 제공하는 단계; 및
센싱 회로에 펄스 보정 신호(S_c)를 공급하는 단계;
중의 하나 이상을 포함하는 센서 시스템의 감도를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템을 구동하는 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
센싱 회로에 의해서 검출된 퍼프의 특징에 의존하여 사용자에게 에어로졸을 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 센서 시스템을 구동하는 방법.