TWI479458B - 流量感測器系統 - Google Patents

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TWI479458B TW098122546A TW98122546A TWI479458B TW I479458 B TWI479458 B TW I479458B TW 098122546 A TW098122546 A TW 098122546A TW 98122546 A TW98122546 A TW 98122546A TW I479458 B TWI479458 B TW I479458B
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Description

流量感測器系統
本發明係有關於一種流量感測器系統。特別地，但非排它地，本發明係有關於一種用於一煙霧產生系統之流量感測器系統。本發明發現像做為用於一抽煙系統(例如，一電加熱抽煙系統)之流量感測器的特別應用。
數個習知技藝文件(例如，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-0 358 002、EP-A-0 295 122、EP-A-1 618 803、EP-A-1 736 065及WO-A-2007/131449)揭露具有數個優點之電操控抽煙系統。一優點是：它們顯著地減少側流煙(sidestream smoke)，同時允許選擇性地暫停及重新開始抽煙。
習知技藝之煙霧產生系統可以包括一煙霧形成底材、一個或多個用以加熱該底材以形成該煙霧之加熱元件及一用以供電至該一個或多個加熱元件之電源。該習知技藝之煙霧產生系統可以提供一能量脈衝至該加熱器，以提供操作所期望之溫度範圍及每抽一口煙釋放揮發性化合物。該習知技藝之許多煙霧產生系統包括一用以感測在該煙霧產生系統中之流體流量(例如，氣流或煙霧流量)之流量感測器。該感測器在操控該煙霧傳送時可以具有一重要角色。當該流量感測器感測到代表使用者抽一口煙所造成吸抽之氣流時，啟動一可以包括該(等)加熱元件或任何型態之噴霧器的煙霧化機構(aerosolization mechanism)，以對該口抽煙提供煙霧。該流量感測器可以是一被動(亦即，機械)感測器或一主動感測器。
被動感測器通常包括一位移薄膜及一電接點。使用者之抽吸所產生之氣流移開該薄膜，以便它碰觸該用以啟動該煙霧化機構之電接點。只要該氣流夠強，以維持該薄膜之位移，該煙霧化機構將維持啟動。一被動感測器之優點包括設計簡單、隨之產生之低成本及可忽略能量消耗。主動感測器常常根據因流體流量所造成之熱損失。此型態之主動感測器常常稱為一熱風速計。該感測器包括一被加熱至一高溫度之電阻器。當該流動冷卻該電阻器時，對於一既定電力所隨之造成的溫度之減少或者電力之增加以維持一既定溫度係表示該氣流速度。該電阻器通常係一微機電系統(MEMS)為基礎之電阻器。一主動感測器之優點包括：該熱損失係與流速成比例關係，所以該感測器可用以提供抽煙特性之資訊。此外，該感測器在運送及操作期間不受機械衝擊之影響。
因為包括上述那些之該習知技藝的煙霧產生系統中所提供之流量感測器確實具有一些缺點，所以本發明之一目的提供一種適用於一煙霧產生系統之改良流量感測器系統。
依據本發明之第一觀點，提供一種用以感測在一煙霧產生系統中表示抽一口煙之流體流量的流量感測器系統，該感測器系統係配置成在一第一模式(沒有預期或偵測到抽一口煙)中及一第二模式(預期或偵測到抽一口煙)中操作，以及包括：一感測電路，該感測電路包括一感測電阻器及一電壓輸出，該感測電阻器係配置成用以根據電阻之變化來偵測流體流量，配置該感測電路，以便該感測電阻器之電阻的變化造成該電壓輸出之變化；以及一信號產生器，配置成用以提供一脈衝驅動信號S1 至該感測電路，以便供電該感測電路，以致於當該脈衝驅動信號S1 係高位準時，供電該感測電路，以及當該脈衝驅動信號S1 係低位準時，不供電該感測電路，其中該脈衝驅動信號S1 在該第一模式中具有一第一頻率f1 及在該第二模式中具有一大於該第一頻率f1 之第二頻率f2 。
因為該感測器系統包括一被倂入一感測電路中之感測電阻器，其中該感測電路具有一為差異電壓之輸出電壓，所以敏感度係高的且可偵測流量之小變化。一脈衝驅動信號S1 之使用表示沒有不斷地供電該感測電路，而是只有每當該脈衝驅動信號S1 係高位準時(亦即，當該方波信號S1 係1而不是0時)，供電該感測電路。此顯著地減少電力消耗。該感測器系統可時常是啟動的，此表示不需要一個別on/off開關。可選擇該等頻率f1 及f2 ，以提供適合敏感度及電力消耗。該感測系統可用以獲得每抽一口煙之定性及定量資訊。
該用以提供一脈衝驅動信號之信號產生器最好包括一微控制器，該脈衝信號係被提供於該微控制器之輸出上。如果該信號產生器包括一微控制器，最好程式化該微控制器，以控制f1 及f2 之數值。在其它實施例中，該用以提供一脈衝驅動信號之信號產生器可以是任何型態之可程式電子電路。
最好，該流量感測器進一步包括一電流源，該電流源係配置成用以提供一流經該感測電路之預定值電流，其中該脈衝驅動信號S1 被提供至該電流源。該預定值電流源允許在一固定電流下使用該感測電路中之該感測電阻器，此提供具有最低電力消耗之操作的方法。因為經由該脈衝驅動信號S1 供電該電流源，所以沒有時常供電該電流源，而是只有每當該脈衝驅動信號係高位準時，供電該電流源，此進一步減少電力消耗。該電流源減少該感測電路之電壓輸出相依於該感測電阻器之電阻的非線性。在一較佳實施例中，該電流源係一溫度補償電流源。因為如果周圍溫度改變時，此去除該感測電路之電壓輸出的任何變化，所以這是優點。在一實施例中，該電流源包括一電壓源、兩個成鏡配置(mirror configuration)之電晶體及一輸入電阻器。
最好，該流量感測器系統進一步包括一差分放大器，該差分放大器係配置成用以放大該感測電路之電壓輸出。
此係優點，因為該感測電路之輸出可以只是數個mV。該差分放大器最好具有低電力消耗及高增益。
最好，當該脈衝驅動信號S1 係低位準時，可使該差分放大器失能，以及當該脈衝驅動信號S1 係高位準時，可使該差分放大器致能。此進一步減少電力消耗。最好，該差分放大器輸出在該感測電路之電壓輸出的某一範圍之數值內係與該感測電路之電壓輸出成比例關係，以及當該感測電路之電壓輸出小於或大於該範圍時，達到飽和。亦即，當該感測電路之電壓輸出小於該範圍時，該差分放大器輸出具有一固定值；當該感測電路之電壓輸出大於該範圍時，該差分放大器輸出具有一固定值；以及當該感測電路之電壓輸出在該範圍內時，在該感測電路之輸出與該差分放大器之輸出間具有一線性關係。
最好，在已偵測到表示抽一口煙之該感測電路的電壓輸出之變化後，該感測器系統操作於該第二模式中有一預定期間，以及在所有其它時間操作於該第一模式中。因此，當偵測到抽一口煙時，或者在其它時間，該脈衝驅動信號S1 從該第一頻率f1 變成該較高第二頻率f2 。此表示當該感測器操作在該第一模式中時，抽煙之最大時間為1/f1 秒。可以在該第一模式中選擇f1 ，以在電力消耗與敏感度間提供適當平衡。如果當該感測器操作於該第二模式中時，偵測到抽一口煙，則抽煙之最大時間為1/f2 秒。可以在該第一模式中選擇f2 ，以在電力消耗與敏感度間提供適當平衡。在一實施例中，該第一頻率f1 係3Hz及該第二頻率f2 係22Hz。
最好，該預定期間(在偵測到抽一口煙後，該感測器在該預定期間操作於該第二模式中)等於一特定使用者之抽煙間的平均時間。此外，該預定時間可以是適應的，以便根據抽煙間之先前時間的運行平均持續調整該預定時間。在另一情況中，該預定期間可以具有一固定值。
如果用以提供該脈衝驅動信號S1 之裝置包括一微控制器，最好，提供該感測電路之電壓輸出至該微控制器之一輸入。此可以經由該差分放大器。然後，在一實施例中，當至該微控制器之輸入表示已偵測到抽一口煙時，該微控制器能在它的輸出上將該脈衝驅動信號S1 從該第一頻率f1 改變至該第二頻率f2 。
最好，提供一信號S2 至該煙霧產生系統中之其它零件，該信號S2 在該感測電路之電壓輸出表示已偵測到抽一口煙時是高位準，以及該信號S2 在該感測電路之電壓輸出表示沒有偵測到抽一口煙時是低位準。如果用以提供該脈衝驅動信號S1 之裝置包括一微控制器，則最好在該微控制器之另一輸出上提供該信號S2 。最好，提供該感測電路之電壓輸出至該微控制器之一輸入。然後，當該微控制器之該輸入表示偵測到抽一口煙時，該微處理器係配置成用以輸出一高位準信號S2 ，以及當該微控制器之該輸入表示沒有偵測到抽一口煙時，該微處理器係配置成用以輸出一低位準信號S2 。在該煙霧產生系統中之其它零件可以包括但不侷限於一煙霧化機構(該煙霧化機構可以是一蒸發機構、一蒸發引擎、一霧化機構或一霧化引擎)、一霧化器、一加熱元件及一抽煙指示器。
該流量感測器系統可以進一步包括用以調整該感測器系統之敏感度的裝置，該用以調整該敏感度之裝置包括下面中之一個或多個：一在該感測電路中之可變電阻器；一自我調整補償電路；以及一用以提供一脈衝校正信號Sc 至該感測電路之信號產生器。
該可變電阻器係可調整的，以改變該感測器系統之敏感度。最好，該感測電阻器具有某一範圍之操作電阻(該範圍具有一固定大小)及該可變電阻器之調整改變該感測電阻器之操作電阻的範圍之位置，亦即，該操作電阻之範圍的低點)。此在沒有抽一口煙之情況下轉而影響該感測電路之電壓輸出，其中該感測電路之電壓輸出影響該系統之敏感度。在一較佳實施例中，調整該可變電阻器，以便該操作電阻之感測電阻器範圍具有一等於或剛好低於零之低點。此提供最佳敏感度。
該自我調整補償電路可以用以改變該感測器系統之敏感度。可以藉由連接該微控制器之一輸出至該差分放大器之非反相輸入及連接該差分放大器之輸出至該微控制器之一輸入來形成該補償電路。該微控制器可以監控該差分放大之輸出Vout 及提供一電壓至該非反相輸入，直到Vout =0為止。
該脈衝校正信號Sc 可用以調整該感測器系統之敏感度。最好，在該校正信號Sc 之每一脈衝下調整該脈衝驅動信號S1 之每一脈衝的寬度。此調整最好是配置成用以在可以偵測到表示抽一口煙之該感測電路的電壓輸出之變化期間改變信號S1 之每一脈衝的比例。該脈衝校正信號Sc 可以配置成在該脈衝驅動信號S1 之每第x脈衝時具有一脈衝，其中該脈衝驅動信號S1 係在該第一頻率或該第二頻頻率下操作。x係任何適合值，例如，1000。在另一情況中，該脈衝校正信號Sc 可以配置成每當該脈衝驅動信號S1 從該第一頻率切換至該第二頻率時或在其它適當時間時具有一脈衝。如果該用以提供該脈衝驅動信號S1 之裝置包括一微控制器，則最好在該微控制器之一輸出上提供該脈衝校正信號Sc 。
該感測電阻器可以是矽MEMS為基礎之電阻器。在另一實施例中，該感測電阻器可以構成矽MEMS為基礎之電阻器的部分。該感測器可以進一步包括一參考電阻器。
該感測電路可以包括具有第一邊及第二邊之惠斯登電橋(Wheatstone bridge)，其中該電壓輸出係一橫跨該第一邊之電壓與一橫跨該第二邊之電壓間的差異。
依據本發明之第二觀點，提供一種用以容納一煙霧形成底材之煙霧產生系統，該系統包括一用以感測在該煙霧產生系統中表示抽一口煙之流體流量的流量感測器系統，該流量感測器系統係根據本發明之第一觀點。
該煙霧產生系統可以是一電加熱煙霧產生系統。該煙霧產生系統可以是一抽煙系統。最好，該系統係可攜帶的。最好，該系統包括一用以容納該煙霧形成底材及設計成可被使用者握緊之外殼。
該煙霧形成底材可以包括一含菸草物質，該含菸草物質包含在加熱時從該底材釋放之揮發性菸草香料化合物。該煙霧形成底材可以進一步包括一煙霧生成物。該煙霧形成底材可以是一固體底材。一氣體底材或固體、液體及氣體中之兩者或更多的組合。
如果該煙霧形成底材係一液體底材，則該煙霧產生系統可以包括一與該液體底材源接觸之煙霧化機構。該煙霧化機構可以包括至少一用以加熱該底材之加熱元件，以形成該煙霧；其中當該煙霧產生系統感測到表示抽一口煙之流體流量時，可以啟動該加熱元件。在另一情況中，該加熱元件可以與該煙霧化機構分離，但與該煙霧化機構相連。該至少一加熱元件可以包括一單加熱元件或一個以上之加熱元件。該(等)加熱元件可以採取任何適合形式，以便最有效地加熱該煙霧形成底材。該加熱元件最好包括一電阻材料。
該煙霧化機構可以包括一個或多個機電元件(例如，壓電元件)。該煙霧化機構可以包括使用靜電、電磁或氣壓效應之元件。該煙霧產生系統可以包括一冷凝室。
在操作期間，該底材可以完全包含於該煙霧產生系統中。在那個情況中，使用者可以在該煙霧產生系統之吸嘴上抽煙。在另一情況中，在操作期間，該底材可以部分包含於該煙霧產生系統中。在那個情況中，該底材可以構成一個別物品之部分及使用者可以在該個別物品上直接抽煙。
該煙霧產生系統可以包括一電源。該電源可以是一鋰離子電池或它的變型中之一(例如，鋰離子高分子電池)或鎳-金屬氫化物電池、鎳鎘電池、超級電容器或燃料電池。在一替代實施例中，該煙霧產生系統可以包括可由一外部充電部充電及配置成用以提供用於預定口數之抽煙的電力之電路。
依據本發明之第三觀點，提供一種用以驅動一用以感測在一煙霧產生系統中表示抽一口煙之流體流量的流量感測器系統之方法，該感測器系統係配置成用以操作於一第一模式(沒有預期或偵測到抽一口煙)中及一第二模式(預期或偵測到抽一口煙)中，該方法包括下列步驟：提供一脈衝驅動信號S1 至一感測電路，以便供電該感測電路，以致於當該脈衝驅動信號S1 係高位準時，供電該感測電路，以及當該脈衝驅動信號S1 係低位準時，不供電該感測電路，該感測電路包括一感測電阻器及一電壓輸出，該感測電阻器係配置成用以根據該感測電阻器之電阻的變化來偵測流體流量，配置該感測電路，以便該感測電阻器之電阻的變化造成該電壓輸出之變化；以及切換該感測器系統於操作之第一與第二模式間，其中該脈衝驅動信號S1 在該第一模式中具有一第一頻率f1 ，以及在該第二模式中具有一大於該第一頻率f1 之第二頻率f2 。
以一脈衝驅動信號S1 驅動該流量感測器系統是表示沒有持續供電該感測電路，但是只有當S1 係高位準時，供電該感測電路。當為了一適合敏感度選擇f1 及f2 時，此顯著地減少電力消耗。
在一實施例中，該切換該感測器系統於操作之第一與第二模式間的步驟包括：當偵測到抽一口煙時，將該感測器系統從該第一模式(其中該脈衝驅動信號S1 具有一第一頻率f1 )切換至該第二模式(其中該脈衝驅動信號S1 具有一第二頻率f2 )。以該感測電路之電壓輸出的變化偵測該抽一口煙。在另一情況中，或者此外，該切換該感測器系統於操作之第一與第二模式間的步驟包括：當根據使用者習慣預期抽一口煙時，將該感測器系統從該第一模式(其中該脈衝驅動信號S1 具有一第一頻率f1 )切換至該第二模式(其中該脈衝驅動信號S1 具有一第二頻率f2 )。根據使用者習慣可以預料抽一口煙之時間。例如，可以選擇一預定期間、在先前一口煙後及一預定日期中之一或多者將該感測器系統從該第一模式切換至該第二模式。該預定時間可以使用者之抽煙間之平均時間，以及此可以是適應的，以便根據抽煙間之時間的運行平均持續調整該預定時間。在另一情況中，該預定期間可以具有一固定值。此係有利的，因為如果該感測器系統在抽一口煙前正操作於該第二模式中，則該響應時間將是更短的。
最好，該方法包括：在表示已偵測到抽一口煙之該感測電路的電壓輸出之改變後，在該第二頻率f2 下提供該脈衝驅動信號S1 有一預定期間，以及在所有其它時間在該第一頻率f1 下提供該脈衝驅動信號S1 。
最好，該方法進一步包括提供一信號S2 至該煙霧產生系統中之其它零件的步驟，當感測電路之電壓輸出表示偵測到抽一口煙時，該信號S2 係高位準的，以及當感測電路之電壓輸出表示沒有偵測到抽一口煙時，該信號S2 係低位準的。信號S2 可用以啟動下面中之一個或多個：一煙霧化機構、一霧化器、一加熱元件及一抽煙指示器。
該方法可以進一步包括調整該感測器系統之敏感度的步驟，包括下面中之一個或多個：週期性地調整該感測電路中之一可變電阻器的電阻；提供一自我調整補償電路；以及提供一脈衝校正信號Sc 至該感測電路。
該方法可以進一步包括根據該感測電路所偵測到之抽一口煙的特性來傳送煙霧至使用者。關於本發明之一觀點所述之特徵亦可以應用至本發明之另一觀點。
將參考所附圖式僅以範例來進一步描述本發明。
一在本發明之感測器系統中所使用之適合感測器可以包括矽基板、一在該基板上之氮化矽薄膜及兩個在該薄膜上之白金加熱元件。該兩個加熱元件係電阻器，一個同時做為一致動器及一感測器，另一個做為一參考。這樣的感測器係有利的，因為它提供一快速感測器響應。當然，可使用其它適合感測器。在操作期間，因一相鄰流體流量的冷卻，改變該感測電阻器之電阻。此電阻之改變是因熱損失所引起的。
可以在一固定溫度下使用該感測電阻器，在此情況中，該增加所需加熱電力被測量及提供該流體流量之讀數。在另一情況中，可以在一固定加熱電力下使用該感測電阻器，在此情況中，該增加溫度提供該流體流量之讀數。在另一情況中，如下面參考第1及3圖所述，可以使用具有一固定電流之該感測電阻器，在此情況中，一感測電路之平衡的改變提供該流體流量之讀數。
第1圖顯示依據本發明之一感測器系統的一示範性實施例。第1圖之感測器系統101包括一感測電路103、一以電流鏡105構形的預定值電流源、一差分放大器107、以微控制器109構形，用以提供脈衝驅動信號S1 之信號產生器，及一驅動電晶體111。
第1圖之感測器系統101包括感測電路103。該感測電路103包括在左手分支之電阻器R1 及R4 和可變電阻器RV 以及在右手分支之電阻器R2 及R3 和感測電阻器RS 。該感測電阻器RS 係一像上述之感測器或任何型態之感測器的感測電阻器。如下面所進一步論述，RV 係一可調電阻及可以用以建立該鬆弛設定點(例如，在該系統中沒有氣流時)。在另一情況中，可以使用一自我調整補償電路，以建立該鬆弛設定點。在此實施例中，該微控制器之一輸出可以連接至該差分放大器之非反相輸入(未顯示於第1圖)及該差分放大器之VOUT 可以連接至該微控制器之一輸入。該微控制器可以用以監控該差分放大器之輸出VOUT 及在該差分放大器之非反相輸入上引入一電壓，直到VOUT =0為止。
該測量電壓VDIFF 係係一差異量測(在此示範性情況中，在右手分支B中之V2與左手分支中之V1間之差異)。當該感測電路103處於平衡時，左手分支中之電阻的比率等於右手分支中之電阻的比率，此導致VDEF =V2 -V1 等於零。一旦流體流量使RS 冷卻，立即改變RS 之電阻，此導致右手分支B之電壓的改變及VDIFF 之非零數值。
對於第1圖之感測電路103，可容易地證明：
如果RV +R4 =R1 及RS +R3 =R2 ，則
該差異量測VDIFF 提供會造成RS 之電阻改變的該流體流量之讀數。因為VDIFF 係一差異量測，所以對於流體流量及因而對於電阻之小變化可採取非常精確量測。該配置允許記錄資訊(例如，抽煙量及強度)。從方程式(1)注意到VDIFF 不是線性相依於該感測電阻RS 。
在第1圖實施例中，該預定值電流源係成為一電源鏡105之形式，該電源鏡105包括兩個成鏡配置之電晶體T1 及T2 ，外加一電阻器RREF 。在T2 上之電流IM 必須等於在T1 上之IREF (IREF 亦是經過該感測電路103之電流)。並且：
V S =R REF I REF +V BE
因此：
以電流鏡補償該感測電路中之非線性(見上面方程式(1)及(2))。此係有利的，因為在一以此方式來補償非線性之系統中，發現到該非線性比在一以電壓變化來補償之系統中的非線性少二倍。因此，第1圖實施例中之電流鏡105減少該系統之非線性。
該電流鏡105可以具有任何適合配置。該電流鏡可以放置在該感測電路103之高壓側上，而不是如第1圖所示是在該感測電路與接地間。任何適合電晶體型態可用於T1 及T2 (包括PNP電晶體、NPN電晶體及CMOS電晶體)。該電流源之替代配置亦是可能的。該感測器系統必須正確地操作於一合理溫度範圍內，以及該電流鏡105補償任何溫度變化。其它溫度補償電流源亦是可利用的。如果該外部溫度改變，則將影響該感測電路之輸出電壓VDIFF ，此可能造成不準確操作或量測。T1 及T2 應該具有相同電特性及彼此靠近地放置在一起及成為相似封裝，以便最小化它們的任何溫度差。
參考電流鏡105之特殊配置，一方面，如果在T1 與T2 間具有一溫度差，則因為該兩個電晶體具有相同電位橫跨它們基極-射極接面(VBE )，所以使VBE 維持固定。此表示如果該兩個電晶體處於不同溫度，則流經T1 之電流係不同於流經T2 之電流，以便維持VBE 。另一方面，如果該外部溫度改變，以便相同地影響T1 及T2 ，則流經兩個電晶體之電流相同地改變，以便使VBE 維持固定。
該感測器系統101亦包括一在該感測電路103之輸出上之差分放大器107，以便放大該輸出電壓VDIFF ，該輸出電壓VDIFF 通常只是數個毫伏特。在第1圖中，使用一由美國麻薩諸塞州亞德諾公司(Analog Devices Inc)所製造之AD623放大器。這樣的放大器使用小於0.5mA及具有高達1000之增益。然而，可以任何適合差分放大器來替代。該放大器107係連接至一供應電壓VS ，以及依據下面方程式以該電阻器RG 來設定該放大器之增益：
因而，對於增益=1000而言，設定RG 至100Ω。
方程式(3)應用只橫跨VDIFF 之一特定範圍。在此範圍之任何一側，該放大器將飽和。在一範例中，如果VDIFF =0V，則VOUT =1.5V。如果VDIFF <-1.5mV，則VOUT 在0V時飽和。如果VDIFF >+1.5mV，則VOUT 在3V時飽和。方程式(3)適用於該範圍-1.5mV<VDIFF <+1.5mV內，亦即，該關係是線性的且具有一等於該增益之梯度，其中如果設定RG 至100Ω，則該增益大約是1000。
該感測器系統101亦包括微控制器109及驅動電晶體111。在一實施例中，該微控制器具有輸入GP0及輸出GP2及GP4。該感測電路103及該電流鏡105在第1圖中係最高電力消耗者。為了減少該電力消耗，沒有持續地供電該感測電路103及該電流鏡105，而是寧願以一來自微控制器109之脈衝驅動信號S1 來驅動該感測電路103及該電流鏡105。依據在該微控制器109之輸出GP2上的信號S1 經由該驅動電晶體111提供該脈衝電流IREF 至該感測電路103及該電流鏡105。該驅動電晶體111做為一開關，該開關在該GP2信號係高位準時導通。該微控制器109控制該脈衝之寬度及頻率。在此實施例中，該輸出VOUT 連接至該微控制器之輸入GP0，以便數位化該差分放大器輸出。觀察該輸出GP0及因而可調整在GP2上之該脈衝信號的寬度及頻率。在第1圖之實施例中，該微控制器109係一由美國亞利桑那州微晶片科技公司(Microchip Technology,Inc)所製造之PIC12f675系列8位元CMOS快閃微控制器。該微控制器具有一供應埠、一接地埠及六個輸入/輸出(I/O)埠GP0至GP5(包括四個類比至數位轉換埠)。它可在3V下運作。當然，可使用任何適合微控制器。
第2a圖顯示在微控制器輸出GP2上之方波信號的一脈衝(信號S1 )。第2b圖顯示在沒有抽一口煙之情況下該GP2信號如何影響在VOUT 上之信號。第2a圖顯示GP2相對於時間之電壓。第2b圖顯示VOUT 相對於時間之電壓。第2a及2b圖之曲線圖不是以比例繪製。將第2a圖中之GP2上的信號之每一脈衝分成三個以第2a圖中之f、g及h來標記之相位。下面將論述三個相位。將第2b圖中之VOUT 上的信號之每一脈衝分成五個以第2b圖中之a、b、c、d及e來標記之相位。
在相位a中，該GP2信號為0V。這是在一脈衝之前因此，沒有供應電流至該感測電路103。該感測電阻器RS 沒有電流流經，所以它係處於周圍溫度下。如上所論述，該感測電路103之輸出VDIFF 係0V，它產生1.5V之輸出VOUT 。
在相位b中，該GP2信號為3V。現在供應電流至該感測電路103，此表示RS 之溫度開始增加。該感測電路103之輸出VDIFF 增加至大於1.5mV，此表示該放大器輸出VOUT 在3V時飽和。
在相位c後，RS 之溫度持續上升及此開始減少該感測電路103之輸出。VDIFF 落在1.5mV之飽和位準以下，以便從該放大器輸出VOUT 獲得一線性響應。因而，當RS 溫度上升時，VOUT 隨著VDIFF 線性地減少。
在相位d中，RS 之溫度已充分上升，以致於VDIFF 小於-1.5mV及該放大器輸出VOUT 再次飽和，此時是在0V。
在相位e，GP2上之脈衝已結束，所以該GP2電壓再次處於0V。剛好像是在相位a中，不再供應電流至該感測電路103，此表示該輸出VDIFF 為0V，此產生1.5V之輸出VOUT 。RS 在下一個脈衝前降低溫度。
在此系統中，在VOUT之相位c期間(亦即，在該差分放大器之線性響應)可偵測抽一口煙。在一傳統配置中，設定該感測電路103，以便當該感測器加熱器電阻在零流量下已達到一固定溫度時，達到它的平衡VDIFF =0。使用一固定電流，此表示供應電流至該感測器有足夠長的時間，以便該感測器加熱器電阻達到該平衡溫度。此表示該感測器之高電力消耗。在本發明之此實施例中，藉由設定該等脈衝，減少電力消耗，以便該加熱器電阻沒有或僅剛好能達到它的平衡溫度。
第2c圖顯示在偵測到抽一口煙時之VOUT 上的信號。第2c圖顯示VOUT 之相對於的電壓。再者，第2c圖之曲線圖沒有依比例來繪製。當抽一口煙時，該結果流體流量促使該VOUT 斜面(相位c)移至右邊。該斜面之位移量係與該流速成比例關係。當該斜面移位至右邊時，此最終提供VOUT 信號有相同於第2a圖所示之GP2驅動信號的形式。此顯示於第2c圖中。在該相位c斜面開始前或時，該GP2信號變成零。剛好在該GP2脈衝之結束前，偵測到該抽一口煙。如果數位化該VOUT 信號(經由GP0)及如果它的數值係在一臨界值以上，則認為偵測到抽一口煙。所以，沒有任何流動流量及在該量測VOUT 為0V係重要的。
第3圖顯示為一包括感測電阻器RS 之1/4惠斯登電橋配置303的形式之該感測電路103的一替代配置。該惠斯登電橋之四個邊分別包括電阻R1 、RV (在左邊A'中)、R2 及(R3 +RS )(在右邊B'中)。再者，RV 係一可調電阻及用以建立該惠斯登電橋之設定點。該電橋配置係有利的，因為它允許待測之感測器電阻的小變動。此外，此配置減少因周圍溫度之改變所造成之變動。
第4圖顯示如何使用一自我調整補償電路之可變電阻RV ，以建立該感測電路103或惠斯登電橋303的鬆弛設定點及調整該感測系統之敏感度。如第2b圖之相位b、c及d所述，當被供電高達一由該微控制器109所產生之信號GP2的脈衝寬度所決定之值時，該感測器電阻RS 上升。可使用該自我調整補償電路之RV ，以決定在那個電壓位準發生此RS 之變動及此被描述於第4圖中。
RS 隨溫度變化之數值的範圍係顯示於第4圖中之範圍401。RV 調整之影響或該自我調整補償電路之使用將沿著箭頭403所示之對角線移動範圍401。該鬆弛設定點係RS 之電壓變化所在之位置。沿著第4圖中之對角線的RS 之範圍401的移動對應於第2b圖中之VOUT 的相位c的斜面至左側或右側的移動。當該範圍401在第4圖中之零或剛好在零的下面開始(對應於第2b圖中在GP2脈衝之末端上或剛好在GP2脈衝之未端前之VOUT 相位c斜面)時，完成最佳敏感度。
第5圖顯示第1圖配置之操作的方法之一實施例。第5圖的上三分之一顯示GP2相對於時間之電壓(信號S1 )。第5圖的中三分之一顯示VOUT 相對於時間之電壓(對應於GP0)。第5圖的下三分之一顯示該微控制器輸出VCTRL 相對於時間之電壓(對應於GP4上之信號S2 )。第5圖之曲線圖沒有依比例繪製。如上所論述，要最小化電力消耗，以一在GP2上之脈衝驅動信號S1 供電該感測電路103或惠斯登電橋303及電流鏡105。GP2之一方形脈衝係顯示於第2a圖中。第5圖之左手側顯示在一第一模式中操作之信號。第5圖之右手側顯示在一第二模式中操作之信號。
第5圖之左手側顯示在沒有偵測到抽一口煙時之操作的方法，以及該信號正在一第一模式中操作。在此實施例中，當該信號正在一第一模式中操作時，該脈衝頻率係3Hz，亦即，約每330ms有一個脈衝。此頻率在敏感度與電力消耗間提供良好妥協。GP2之脈衝寬度在此實施例中為12.1ms。於是，該電壓VOUT 具有在第5圖之左手側中所示之形式。注意到VOUT 在第5圖之左手側的下半部中之每一脈衝具有第2b圖所示之形狀，但是在第5圖中只示意性地顯示該脈衝形狀。在第5圖之左手側中，沒有偵測到抽一口煙，所以該脈衝形狀係像第2b圖所示者，而不是像第2c圖所示者。
第5圖之右手側顯示在偵測到抽一口煙時之操作的方法及該信號正操作於一第二模式中。在時間501時偵測到該抽一口煙。如第5圖之右手側的中三分之一所見，偵測到該抽一口煙，因為該VOUT 脈衝之下部分(該相位c斜面之底部)具有一較高數值。此對應於將相位c之斜面移至右側的流體流量，以便在該GP2信號返回至0V時在到達相位d前使該斜面截止。當在時間501偵測到抽一口煙時，輸入GP0上之偵測將該GP4輸出信號S2 從0切換至1，以便如第5圖之右手側的下三分之一所示打開VCTRL 。輸入GP0上之偵測亦促使該GP2之脈衝頻率的變動及該系統開始操作於一第二模式中。當然，亦可使用該GP4信號變化，控制其它電路(例如，一煙霧化機構、一霧化器、一加熱元件及一抽煙指示器)。現在，在此實施例中，如第5圖之右手側的上三分之一所示，在該第二模式中之GP2的脈衝頻率為22Hz，亦即，約每45ms有一個脈衝。注意到該脈衝寬度相同於該第一模式中之脈衝寬度，亦即，在此實施例中為12.1ms。注意到該VOUT 信號之下部分順著503所標記之虛線曲線。此曲線係該抽煙量變曲線，因為VOUT 之斜面移至右側的量係與流速成比例關係。當該VOUT 信號之下部分增加時，流速從零增加至它的最大值，以及當該VOUT 信號之下部分從它的最大值減少至零時，流速從最大值減少至零。
在此實施例中，已適當地校正該系統；此可從曲線503看出，該曲線503僅接近但不超過VOUT 之高值。此等於第4圖中在零或剛好在零的下面開始之RS 範圍401及位於該GP2脈衝之未端上或剛好在其前之VOUT 相位c斜面。可藉由如第4圖所論述之RV 的變動或該補償電路或者藉由下面所要論述之一替代校正方法來完成此校正。
在時間505上，當在VOUT 上沒有再次偵測到變化時，該輸出VCTRL 返回至0V。在時間501上偵測到該抽一口煙後，該GP2脈衝維持在22Hz之第二頻率有一預定期間，直到返回至3Hz之第一頻率的時間507為止。此期間501至507可被預設或根據使用者習慣。例如，該期間可相當於抽二口煙間之平均期間。
因此，在該第一模式期間，當該GP2脈衝頻率為3Hz時，在最壞情況下，抽第一口煙之時間約330ms。如果在第二模式期間抽一口煙，則當該GP2脈衝頻率為22Hz時，最大響應時間非常快，以及在最壞情況下，抽煙時間約45ms。
該VOUT 信號(表示該抽煙)可以被記錄及可以用以確定不同資料。例如，可從該VOUT 信號記錄抽一口煙之平均整體時間。此為第5圖中之時間501至505。並且，可使用該曲線503之斜面，以計算使用者抽煙所使用之力或強度。又，從橫跨時間501至505之抽煙曲線503決定該抽煙量。並且，可從該VOUT 信號記錄抽煙間之平均時間(雖然注意到為了簡化而在第5圖中只顯示抽一口煙)。
可將此資訊饋入該微控制器，以及此允許在該操作中有大的彈性。例如，從抽煙間之記錄時間，該微控制器可以適應依據使用者習慣之GP2維持在該高頻率的期間(501-207)。做為另一範例，該微控制器在根據使用者習慣預期到下一口抽煙時可從低頻GP2脈衝自動地切換至高頻GP2脈衝。此將減少該響應時間，亦即，抽煙時間。做為另一範例，使用者抽煙所使用之力可被記錄及用以操控在例如該致動器、煙霧化機構或加熱元件上之煙霧傳送，以適合使用者。
可以該微控制器軟體實施第5圖所示之操作的方法。首先，該軟體打開電源及初始化該微控制器。接下來，該軟體實施電子穩定性。一旦已完成這些程序，立即可以使用該微控制器，在GP2上產生脈衝及在VOUT 上讀取該響應。如果VOUT 沒有大於0.1V，則沒有偵測到抽一口煙，在此情況中，該GP2信號S1 係設定在一第一脈衝頻率(在此情況中，3Hz)。該微控制器持續產生具有該第一脈衝頻率之脈衝及在VOUT 上讀取該回應，直到偵測到抽一口煙為止。
如果VOUT 大於0.1V，則偵測到抽一口煙，在此情況中，啟動一倒數計時器。此對應於第5圖中之時間501。該至GP4(S2 )之微控制器輸出VCTRL 係設定至高位準及該GP2信號係設定於一第二脈衝頻率(在此情況中，22Hz)。該微控制器在GP2上產生該第二頻率之脈衝及在VOUT 上讀取該回應。如果VOUT 大於0.1V，則仍然偵測到該抽一口煙，在此情況中，仍然產生該第二頻率之GP2脈衝S1 及該至GP4(S2 )之微控制器輸出VCTRL 維持高位準。
如果VOUT 不大於0.1V，則不再偵測到抽一口煙。此對應於第5圖中之時間505。在那個情況中，VCTRL 係設定至低位準。然後，如果該倒數計時器係非零，則該GP2應該維持在該高頻率之期間尚未終止，亦即，尚未達到第5圖中之時間507。在那個情況中，該GP2脈衝信號S1 維持在該高頻率。
如果該倒數計時器係零，則該GP2脈衝應該維持在該高頻率之時間週期已終止，亦即，已達到第5圖中之時間507。在此情況中，該GP2脈衝信號S1 返回至該最早低頻率。
如以上所論述，藉由調整RV 或引入電壓至該差分放大器之非反相輸入，可以設定該系統之敏感度，直到該放大器之輸出VOUT 為0V為止。週期性地，例如，在GP2上之信號S1 的每隔x個脈衝(例如，1000個脈衝)，或者每當該GP2信號從該第二模式(22Hz)變成該第一模式(3Hz)時，產生一在校正信號SC 之脈衝。再次參考第2a圖，亦即，當VOUT =0時使用該校正脈衝，維持相位d一固定期間。如果使用一校正脈衝，則不再固定GP2之脈衝寬度，而是可變動的。如第2a圖所示，將該GP2脈衝分割成三個相位f、g及h。在校正期間，在具有一固定持續時間(在一實施例中，6ms)之相位f中，維持該GP2信號在3V的高位準，而無關於VOUT 信號。在相位g，監控該VOUT 信號，以及只要VOUT 維持大於零(所以是在相位b或c中---見第2b圖)，維持該GP2信號在3V之高位準。一旦該VOUT 信號達到0V(相位d---見第2b圖)，立即記錄時間及將對應於VOUT 之相位d的GP2之相位h的期間設定在一固定持續時間(在一實施例中，300μs)。在校正期間，在此實施例中，如果VOUT 在14ms之總脈衝時間(f+g+h)後沒有達到0V，則認為偵測到抽一口煙。
在正常操作模式中，GP2之總脈衝寬度為f+g+h。現在使用在校正期間所記錄之時間g於該總脈衝長度之校正。校正該系統以設定該敏感度之方法因下面理由而非常有利。第一，可以一固定電阻來取代該可調電阻RV 。第二，每當該脈衝校正信號SC 具有一脈衝時，發生自動校正。此表示在製造期間或在維護期間不需要手工調整該系統中之任何零件，因為該系統將自本調整本身至最佳敏感度。在此實施例中所選擇之從6ms至14ms的時間窗口足夠大，以允許周圍溫度之任何變化及該等不同電子零件之響應，但是可選擇任何適合時間窗口。
101．．．感測器系統
103．．．感測電路
105．．．電流鏡
107．．．差分放大器
109．．．微控制器
111．．．驅動電晶體
303．．．惠斯登電橋
401．．．範圍
403．．．箭頭
501．．．時間
503．．．虛線曲線
505．．．時間
507．．．時間
GP0．．．輸入
GP2．．．輸出
GP4．．．輸出
IM ．．．電流
IREF ．．．電流
R1 ．．．電阻器
R2 ．．．電阻器
R3 ．．．電阻器
R4 ．．．電阻器
RG ．．．電阻器
RREF ．．．電阻器
RS ．．．可變電阻器
RV ．．．感測電阻器
S1 ．．．脈衝驅動信號
S2 ．．．信號
SC ．．．校正信號
T1 ．．．電晶體
T2 ．．．電晶體
VCTRL ．．．微控制器輸出
VDIFF ．．．電壓
VOUT ．．．輸出
第1圖顯示依據本發明之一感測器系統的一示範性實施例；第2a顯示第1圖之信號GP2；第2b顯示在沒有抽一口煙之情況下第1圖之信號VOUT ；第2c顯示在偵測到抽一口煙時第1圖之信號VOUT ；第3圖以惠斯登電橋之形式顯示第1圖之感測電路的一替代配置；第4圖顯示如何可以建立該鬆弛設定點；以及第5圖顯示第1圖感測器系統之操作的一方法。
101．．．感測器系統
103．．．感測電路
105．．．電流鏡
107．．．差分放大器
109．．．微控制器
111．．．驅動電晶體

Claims (14)

  1. 一種流量感測器系統，用以感測在一煙霧產生系統中表示抽一口煙之流體流量，該感測器系統係配置成在沒有預期或偵測到抽一口煙中之第一模式及預期或偵測到抽一口煙之第二模式中操作，包括：一感測電路，該感測電路包括一感測電阻器及一電壓輸出，該感測電阻器係配置成根據電阻之變化來偵測流體流量，該感測電路，配置成該感測電阻器之電阻的變化造成該電壓輸出之變化；以及一信號產生器，配置成用以提供一脈衝驅動信號S1 至該感測電路，以便供電該感測電路，以致於當該脈衝驅動信號S1 高位準時，供電該感測電路，以及當該脈衝驅動信號S1 低位準時，不供電該感測電路，其中該脈衝驅動信號S1 在該第一模式中具有一第一頻率f1 及在該第二模式中具有一大於該第一頻率f1 之第二頻率f2 。
  2. 如申請專利範圍第1項之流量感測器系統，進一步包括一電流源，該電流源係配置成用提供一預定值電流流經該感測電路，其中該脈衝驅動信號S1 被提供至該電流源。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之流量感測器系統，進一步包括一差分放大器，該差分放大器係配置成放大該感測電路之電壓輸出。
  4. 如申請專利範圍第3項之流量感測器系統，其中該差分放大器輸出，在該感測電路之電壓輸出的數值內範圍係與該感測電路之電壓輸出成比例關係，以及當該感測電 路之電壓輸出小於或大於該範圍時，達到飽和。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之流量感測器系統，進一步包括用以調整該感測器系統之敏感度的手段，該用以調整該敏感度之手段包括下面中之一個或多個：一在該感測電路中之可變電阻器；一自我調整補償電路；以及一用以提供一脈衝校正信號Sc至該感測電路之信號產生器。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之流量感測器系統，其中該感測電路包括一具有一第一腳及一第二腳之惠斯登電橋，以及其中該電壓輸出係一橫跨該第一腳之電壓與一橫跨該第二腳之電壓間的差異。
  7. 一種煙霧產生系統，用以容納一煙霧形成底材，該系統包括一用以感測在該煙霧產生系統中表示抽一口煙之流體流量的流量感測器系統，該流量感測器系統係根據申請專利範圍第1至6項中任一項者。
  8. 如申請專利範圍第7項之煙霧產生系統，進一步包括：至少一加熱元件，用以加熱該底材，以形成煙霧；其中該流量感測器系統係配置成在感測到表示抽一口煙之流體流量時，啟動該加熱元件。
  9. 一種用以驅動流量感測器系統之方法，該流量感測器系統為用以感測在一煙霧產生系統中表示抽一口煙之流體流量及係配置成用以操作於一沒有預期或偵測到抽一口 煙之第一模式中及一預期或偵測到抽一口煙第二模式中，該方法包括下列步驟：提供一脈衝驅動信號S1 至一感測電路，以便供電該感測電路，以致於當該脈衝驅動信號S1 係高位準時，供電該感測電路，以及當該脈衝驅動信號S1 係低位準時，不供電該感測電路，該感測電路包括一感測電阻器及一電壓輸出，該感測電阻器係配置成根據該感測電阻器之電阻的變化來偵測流體流量，該感測電路配置成該感測電阻器之電阻的變化造成該電壓輸出之變化；以及於第一與第二模式之操作間切換該感測器系統，其中該脈衝驅動信號S1 在該第一模式中具有一第一頻率f1 ，以及在該第二模式中具有一大於該第一頻率f1 之第二頻率f2 。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中於第一與第二模式之操作間該切換該感測器系統的步驟包括：當偵測到抽一口煙時，將該感測器系統從該脈衝驅動信號S1 具有一第一頻率f1 之該第一模式切換至該脈衝驅動信號S1 具有一第二頻率f2 之該第二模式。
  11. 如申請專利範圍第9項或第10項之方法，其中於第一與第二模式之操作間該切換該感測器系統的步驟包括：當根據使用者習慣預期抽一口煙時，將該感測器系統從該脈衝驅動信號S1 具有一第一頻率f1 之該第一模式切換至該脈衝驅動信號S1 具有一第二頻率f2 之該第二模式。
  12. 如申請專利範圍第9項或第10項之方法，進一步包括提供一信號S2 至該煙霧產生系統中之其它組件的步驟，當感測電路之電壓輸出表示偵測到抽一口煙時，該信號S2 係高位準的，以及當感測電路之電壓輸出表示沒有偵測到抽一口煙時，該信號S2 係低位準的。
  13. 如申請專利範圍第9項或第10項之方法，進一步包括調整該感測器系統之敏感度的步驟，包括下面中之一個或多個：週期性地調整該感測電路中之一可變電阻器的電阻；提供一自我調整補償電路；以及提供一脈衝校正信號Sc至該感測電路。
  14. 如申請專利範圍第9項或第10項之方法，進一步包括根據該感測電路所偵測到之抽一口煙的特性來傳送煙霧至使用者。
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