专利名称：流量传感器系统的制作方法
流量传感器系统本发明涉及一种流量传感器系统。特别地但非排他性地，本发明涉及一种用于烟 雾发生系统的流量传感器。本发明可特别地用作用于吸烟系统(例如电加热吸烟系统)的 流量传感器系统。例如US-A-5060671、US-A-5388594、US-A-5505214、US-A-5591368、 W0-A-2004/043175、EP-A-0358002、EP-A-0295122、EP-A-1618803、EP-A-1736065 禾P W0-A-2007/131449的多个现有技术文献公开了具有许多优点的电动操作吸烟系统。一个优 点是其显著减少侧流烟气，同时允许吸烟者选择性地中止以及重新开始吸烟。现有技术的烟雾发生系统可以包括烟雾形成基体、用于将该基体加热以形成烟雾 的一个或多个加热元件、以及向所述一个或多个加热元件供电的电源。现有技术的烟雾发 生系统可以向加热器提供能量脉冲以提供操作所期望的温度范围并释放针对每次抽吸的 挥发性化合物。现有技术的许多烟雾发生系统包括用于感测烟雾发生系统中的流体流动 (例如气流或烟雾流动)的流量传感器。该传感器可以在管理烟雾传送中起到重要作用。 当流量传感器感测到表示由用户的一次抽吸引起的吸入的气流时，可以包括加热元件或任 何类型的雾化器的烟雾化机构被激活以便提供针对该次抽吸的烟雾。流量传感器可以是无 源(亦即，机械的)传感器或有源传感器。无源传感器通常包括移位薄膜和电触点。由用户的吸入产生的气流使薄膜移位， 使得其碰触电触点，这激活烟雾化机构。只要气流强到足以保持薄膜的移位，烟雾化机构将 保持被激活。无源传感器的优点包括设计简化、由此产生的低成本、和能量消耗可忽略。有 源传感器常常基于由流体流动引起的热损耗。此类有源传感器常常称为热风速计。该传 感器包括被加热至高温的电阻器。当流动使电阻器冷却时，随之产生的对于给定功率的温 度下降、或要保持给定温度的功率的增加指示气流速度。电阻器通常是基于硅微机电系统 (MEMS)的电阻器。有源传感器的优点包括这样的事实，即热损耗与流速成比例，因此可以使 用该传感器来提供关于抽吸特性的信息。另外，在运输和操作期间，传感器不那么受到机械 震动的影响。由于在现有技术的烟雾发生系统(包括上述那些)中提供的流量传感器确实具有 许多缺点，所以本发明的目的是提供适合于烟雾发生系统的改进的流量传感器系统。根据本发明的第一方面，提供一种用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流 动的流量传感器系统，该传感器系统被设置成在第一模式下和第二模式下操作，在第一模 式下，未预期或检测到抽吸，而在第二模式下，预期或检测到抽吸，并且包括感测电路，其 包括感测电阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于电阻的变化来检测流体流动， 所述感测电路被设置成使得所述感测电阻器的电阻变化引起所述电压输出的变化；以及信 号发生器，其被设置成向所述感测电路提供脉冲驱动信号S1以对所述感测电路供电，使得 所述感测电路在脉冲驱动信号S1为高时被供电且在脉冲驱动信号S1为低时不被供电，其 中，所述脉冲驱动信号S1在第一模式下具有第一频率，而在第二模式下具有大于第一频 率的第二频率f2。由于传感器系统包括被结合到感测电路中的感测电阻器，其具有作为差值电压的输出电压，所述灵敏度是高的，且可以检测到小的流量变化。脉冲驱动信号S1的使用意味 着感测电路不是被恒定地供电，而是仅在脉冲驱动信号S1为高时、即在方波信号S1是1而 不是0时被供电。这显著地减少功率消耗。传感器系统可以是恒定激活的，这意味着不需 要单独的通/断开关。可以选择频率以提供适当的灵敏度和功率消耗。可以使用 传感器系统来获得关于抽吸的定性和定量信息。用于提供脉冲驱动信号的信号发生器优选地包括微控制器，在微控制器的一个输 出上提供脉冲信号。如果信号发生器包括微控制器，则优选地将微控制器编程为控制f\和 f2的值。在其它实施例中，用于提供脉冲驱动信号的信号发生器可以是任何类型的可编程 电子电路。优选地，所述流量传感器系统还包括被设置成提供预定值电流通过感测电路的电 流源，其中，脉冲驱动信号S1被提供给电流源。所述预定值电流源允许在恒定电流下使用感 测电路中的感测电阻器，这提供了具有最低功率消耗的操作方法。由于经由脉冲驱动信号 S1来对电流源供电，所以电流源不是被恒定地供电，而是仅在脉冲信号为高时被供电，这进 一步减少了功率消耗。电流源降低感测电路的电压输出对感测电阻器的电阻的依赖性的非 线性。在优选实施例中，电流源是温度补偿电流源。这是有利的，因为如果环境温度改变， 则这消除了感测电路的电压输出的任何变化。在一个实施例中，电流源包括电压源、采用反 射镜结构(mirror construction)的两个晶体管、和输入电阻器。优选地，所述流量传感器还包括被设置成将感测电路的电压输出放大的差动放大 器。这是有利的，因为感测电路的输出可能只有几毫伏。差动放大器优选地具有低功率消 耗和高增益。优选地，所述差动放大器可以在脉冲驱动信号S1为低时被禁用且可以在脉冲驱动 信号S1S高时被启用。这进一步减少功率消耗。优选地，差动放大器输出在感测电路的电 压输出值的一定范围内与感测电路的电压输出成比例，并且在感测电路的电压输出小于或 大于该范围时饱和。也就是说，当感测电路的电压输出小于该范围时，差动放大器输出具 有恒定值；当感测电路的电压输出大于该范围时，差动放大器输出具有恒定值；并且当感 测电路的电压输出在该范围内时，在感测电路的输出与差动放大器的输出之间存在线性关 系。优选地，所述传感器系统在已经检测到指示抽吸的感测电路的电压输出变化之后 在第二模式下操作预定时间段，并在所有其它时间在第一模式下操作。因此，当检测到抽吸 时或在另一时间，脉冲驱动信号S1从第一频率变成较高的第二频率f2。这意味着当传感 器在第一模式下操作时，到抽吸的最大时间是Ι/fi秒。可以将fi选择为在第一模式下提供 功率消耗与灵敏度之间的适当平衡。如果在传感器在第二模式下操作时检测到抽吸，则到 抽吸的最大时间是i/f2秒。可以将f2选择为在第二模式下提供功率消耗与灵敏度之间的 适当平衡。在一个实施例中，第一频率fi是3HZ，而第二频率f2是22Hz。优选地，对于特定用户，在检测到抽吸之后传感器在第二模式下操作的预定时间 段等于抽吸之间的平均时间。另外，所述预定时间可以是自适应的，使得其基于抽吸之间的 先前时间的运动平均值而被连续地调整。另选地，所述预定时间段可以具有固定值。如果用于提供脉冲驱动信号S1的装置包括微控制器，则优选地，感测电路的电压 输出被提供给微控制器的输入。这可以经由差动放大器实现。然后，在一个实施例中，当到微控制器的输入指示已经检测到抽吸时，微控制器能够将其输出上的脉冲驱动信号S1从第
一频率变成第二频率f2。优选地，为烟雾发生系统中的其它组件提供信号S2,信号&在感测电路的电压输 出指示检测到抽吸时是高的，并且信号&在感测电路的电压输出指示未检测到抽吸时是低 的。如果用于提供脉冲驱动信号S1的装置包括微控制器，则优选地，在微控制器的另一输 出上提供信号&。优选地，感测电路的电压输出被提供给微控制器的输入。然后，当微控制 器的输入指示检测到抽吸时，微控制器被设置成输出高信号&，并且当到微控制器的输入 指示未检测到抽吸时，微控制器被设置成输出低信号&。烟雾发生系统中的其它组件可以 包括但不限于烟雾化机构(其可以是汽化机构、汽化引擎、雾化机构或雾化引擎)、雾化器、 加热元件、和抽吸指示器。流量传感器系统还可以包括用于调整传感器系统的灵敏度的装置，所述用于调 整灵敏度的装置包括以下各项中的一个或多个感测电路中的可变电阻器；自调整偏移电 路；以及用于向感测电路提供脉冲校准信号&的信号发生器。可变电阻器是可调整的，从而改变传感器系统的灵敏度。优选地，感测电阻器具有 一定范围的工作电阻(该范围具有固定量值)，且对可变电阻器的调整改变感测电阻器的 工作电阻的范围的位置，即工作电阻的范围的低点。这在不存在抽吸的情况下又影响感测 电路的电压输出，这影响系统的灵敏度。在优选实施例中，调整可变电阻器，使得感测电阻 器的工作电阻范围具有在零点或刚好在零点以下的低点。这提供最好的灵敏度。可以使用自调整偏移电路来改变传感器系统的灵敏度。可以通过将微控制器的输 出连接到差动放大器的非反向输入并将差动放大器的输出连接到微控制器的输入来形成 偏移电路。微控制器可以监视差动放大器的输出Vot并向非反向输入提供电压直至Vot = 0为止。脉冲校准信号&可用来调整传感器系统的灵敏度。优选地，对于校准信号&的每 个脉冲，调整脉冲驱动信号S1的每个脉冲的宽度。此调整优选地被设置成改变其中可以检 测到指示抽吸的感测电路的电压输出变化的信号S1的每个脉冲的比例。可以将脉冲校准 信号&设置成每当在脉冲驱动信号S1的第χ个脉冲处具有脉冲，其在第一频率或第二频率 下工作。X是任何适当的值，例如1000。另选地，可以将脉冲校准信号&设置成每当脉冲 驱动信号S1从第一频率切换到第二频率时或在其它适当时间具有脉冲。如果用于提供脉 冲驱动信号S1的装置包括微控制器，则优选地，在微控制器的输出上提供脉冲校准信号S。。感测电阻器可以是基于硅MEMS的电阻器。在另一实施例中，感测电阻器可以形成 基于硅MEMS的传感器的一部分。该传感器还可以包括参考电阻器。感测电路可以包括具有第一支路和第二支路的惠斯通电桥，并且其中，电压输出 是跨第一支路的电压与跨第二支路的电压之间的差。根据本发明的第二方面，提供了一种用于接纳烟雾形成基体的烟雾发生系统，该 系统包括根据本发明的第一方面的用于感测指示抽吸的烟雾发生系统中的流体流动的流 量传感器系统。所述烟雾发生系统可以是电加热的烟雾发生系统。该烟雾发生系统可以是吸烟系 统。优选地，该系统是便携式的。优选地，该系统包括用于接纳烟雾形成基体并被设计成由 用户握住的壳体。
所述烟雾形成基体可以包括包含烟草的材料，其包括在加热时从基体释放的挥发 性烟草香味化合物。所述烟雾形成基体还包括烟雾形成器。所述烟雾形成基体可以是固定 基体、液体基体、气体基体、或固体、液体和气体中的两个或更多个的组合。如果烟雾形成基体是液体基体，则烟雾发生系统可以包括与液体基体源接触的烟 雾化机构。该烟雾化机构可以包括用于将基体加热以形成烟雾的至少一个加热元件；其中， 所述加热元件可以在烟雾发生系统感测到指示抽吸的流体流动时被激活。另选地，加热元 件可以与烟雾化机构分开但与之连通。所述至少一个加热元件可以包括单个加热元件或多 于一个的加热元件。该加热元件可以采用任何适当的形式以便最有效地将烟雾形成基体加 热。所述加热元件优选地包括电阻性材料。所述烟雾化机构可以包括诸如压电元件的一个或多个机电元件。所述烟雾化机构 可以包括使用静电、电磁或气动效应的元件。所述烟雾发生系统可以包括冷凝室。在操作期间，所述基体可以被完全包含在所述烟雾发生系统内。在这种情况下，用 户可以在所述烟雾发生系统的管嘴上抽吸。另选地，在操作期间，所述基体可以被部分地包 含在烟雾发生系统中。在这种情况下，基体可以形成单独物件的一部分且用户可以直接在 该单独物件上抽吸。所述烟雾发生系统可以包括电源。该电源可以是锂离子电池或其变体中的一个， 例如锂离子聚合物电池、或镍金属氢化物电池、镍镉电池、超级电容器、或燃料电池。在另选 实施例中，所述烟雾发生系统可以包括可由外部充电部分充电并被设置成提供预定抽吸次 数的功率的电路。根据本发明的第三方面，提供了一种用来驱动用于在烟雾发生系统中感测指示抽 吸的流体流动的流量传感器系统的方法，所述传感器系统被设置成在第一模式下和第二模 式下操作，在第一模式下，未预期或检测到抽吸，而在第二模式下，预期或检测到抽吸，所述 方法包括以下步骤向感测电路供用于对感测电路供电的脉冲驱动信号S1,使得感测电路 在脉冲驱动信号S1为高时被供电且在脉冲驱动信号S1为低时不被供电，所述感测电路包括 感测电阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于感测电阻器的电阻变化来检测流体 流动，所述感测电路被设置成使得所述感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变化；以及 在第一和第二操作模式之间切换所述传感器系统，其中，脉冲驱动信号S1在第一模式下具 有第一频率f\，而在第二模式下具有大于第一频率的第二频率f2。用脉冲驱动信号S1来驱动流量传感器系统意味着感测电路不被连续地供电，而是 仅在S1为高时被供电。这显著地减少功率消耗，同时可以针对适当的灵敏度选择fi和f2。在一个实施例中，在第一和第二操作模式之间切换传感器系统包括在检测到抽吸 时将传感器系统从其中脉冲驱动信号S1具有第一频率的第一模式切换到其中脉冲驱动 信号S1具有第二频率f2的第二模式。由感测电路的电压输出的变压来检测所述抽吸。另 选地，或附加地，在第一和第二操作模式之间切换传感器系统包括基于用户习惯在预期发 生抽吸时将传感器系统从其中脉冲驱动信号S1具有第一频率的第一模式切换到其中脉 冲驱动信号S1具有第二频率f2的第二模式。可以基于用户习惯来预测预期发生抽吸的时 间。例如，在前一次抽吸后的预定时间段和一天中的预定时间中的一个或多个，可以将传感 器系统从第一模式切换到第二模式。对于用户来说，所述预定时间段可以是抽吸之间的平 均时间，并且其可以是自适应的，使得其基于抽吸之间的时间的运动平均值而被连续地调整。另选地，所述预定时间段可以具有固定值。这是有利的，因为如果传感器系统在抽吸之 前在第二模式下操作，则响应时间将短得多。优选地，所述方法包括在已检测到指示抽吸的感测电路的电压输出变化之后在第 二频率f2下提供脉冲驱动信号S1预定时间段，并在所有其它时间在第一频率下提供脉 冲驱动信号Si。优选地，所述方法还包括向烟雾发生系统中的其它组件提供信号&的步骤，信号 &在感测电路的电压输出指示检测到抽吸时是高的，并且信号&在感测电路的电压输出指 示未检测到抽吸时是低的。可以使用信号&来激活烟雾化机构、雾化器、加热元件和抽吸 指示器中的一个或多个。所述方法还可以包括调整传感器系统的灵敏度的步骤，包括以下各项中的一个或 多个周期性地调整感测电路中的可变电阻器的电阻；提供自调整偏移电路；以及向感测 电路提供脉冲校准信号Sco该方法还可以包括根据由感测电路检测到的抽吸的特性向用户传送烟雾的步骤。 关于本发明的一方面描述的特征也可以适用于本发明的另一方面。将参照附图仅以示例的方式进一步描述本发明，在附图中
图1示出根据本发明的传感器系统的示例性实施例；图加示出图1的信号GP2 ；图2b示出在不存在抽吸的情况下的图1的信号Vqut ；图2c示出检测到抽吸时的图1的信号Vqut ；图3示出采用惠斯通电桥形式的图1的感测电路的另选设置；图4示出可以如何建立弛豫设定点；以及图5示出图1的传感器系统的一种操作方法。供在本发明的传感器系统中使用的适当传感器可以包括硅衬底、衬底上的氮化硅 薄膜、以及该薄膜上的两个钼加热元件。这两个加热元件是电阻器，一个同时充当致动器和 传感器，另一个充当参考。此类传感器是有利的，因为其提供快速的传感器响应。当然，可 以使用其它适当传感器。在操作期间，存在由于被附近流体流动冷却而引起的感测电阻器 的电阻变化。此电阻变化是由于热量损耗而引起的。可以在恒温下使用该感测电阻器，在这种情况下，测量要求增加的加热功率并提 供对流体流动的指示。另选地，可以在恒定加热功率下使用所述感测传感器，在这种情况 下，降低的温度提供对流体流动的指示。另选地，如下文将参考图1和3所描述的，可以将 感测电阻器与恒定电流一起使用，在这种情况下，感测电路的均衡的变化提供对流体流动 的指示。图1示出根据本发明的传感器系统的示例性实施例。图1的传感器系统101包括 感测电路103、电流反射镜(current mirror) 105形式的预定值电流源、差动放大器107、以 及微控制器109和驱动晶体管111形式的用于提供脉冲驱动信号S1的信号发生器。图1的传感器系统101包括感测电路103。感测电路103包括在左侧支路中的电 阻器礼、R4和可变电阻器Rv及在右侧支路中的电阻器&、R3和感测电阻器&。感测电阻器 Rs是如上所述的传感器的感测电阻器或另一适当类型的传感器。如下文将进一步描述的， Rv是可调电阻且可以用于建立弛豫设定点(例如，当在系统中不存在气流时)。另选地，可以使用自调整偏移电路来建立弛豫设定点。在本实施例中，微控制器的输出被连接到差动 放大器(图1未示出)的非反向输入，且差动放大器的Vott可以被连接到微控制器的输入。 可以使用微控制器来监视差动放大器的输出Vot并在差动放大器的非反向输入上注入电压 直至Votit = 0为止。 测量电压Vdiff是差分测量结果(在本示例性情况下，是右侧支路B中的V2与左侧
R,
支路A中的V1之间的差)。当感测电路103处于均衡状态时，左侧支路中的电阻的比
等于右侧支路中的电阻的比谊导致Vdiff = V2-V1等于零。一旦&被流体流动冷却，
则存在&的电阻变化，这导致右侧支路B的电压变化和Vdiff的非零值。
对于图1的感测电路103而言，可以容易地示出
权利要求
1.一种用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统，该传感器 系统被设置成在其中未预期或检测到抽吸的第一模式下和其中预期或检测到抽吸的第二 模式下操作，并包括感测电路，其包括感测电阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于电阻的变化 来检测流体流动，所述感测电路被设置成使得感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变 化；以及信号发生器，其被设置成向所述感测电路提供脉冲驱动信号S1以便对所述感测电路供 电，使得所述感测电路在脉冲驱动信号S1为高时被供电，而在脉冲驱动信号S1为低时不被 供电，其中，脉冲驱动信号S1在第一模式下具有第一频率f\，并在第二模式下具有大于第一 频率fi的第二频率f2。
2.根据权利要求1所述的流量传感器系统，还包括被设置成提供预定值电流通过所述 感测电路的电流源，其中，脉冲驱动信号S1被提供给该电流源。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的流量传感器系统，还包括被设置成将所述感测 电路的电压输出放大的差动放大器。
4.根据权利要求3所述的流量传感器系统，其中，差动放大器输出在所述感测电路的 电压输出值的一定范围内与感测电路的电压输出成比例，并且在感测电路的电压输出小于 或大于该范围时饱和。
5.根据前述权利要求中任一项所述的流量传感器系统，还包括用于调整所述传感器系 统的灵敏度的装置，所述用于调整灵敏度的装置包括以下各项中的一个或多个所述感测电路中的可变电阻器；自调整偏移电路；以及信号发生器，其用于向所述感测电路提供脉冲校准信号&。
6.根据前述权利要求中任一项所述的流量传感器系统，其中，所述感测电路包括具有 第一支路和第二支路的惠斯通电桥，并且其中，所述电压输出是跨第一支路的电压与跨第 二支路的电压之间的差。
7.一种用于接纳烟雾形成基体的烟雾发生系统，该系统包括根据前述权利要求中任一 项的用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统。
8.根据权利要求7所述的烟雾发生系统，还包括至少一个加热元件，其用于对所述基体进行加热以形成烟雾；其中，所述流量传感器系统被设置成当所述流量传感器系统感测到指示抽吸的流体流 动时激活加热元件。
9.一种用来驱动用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统 的方法，该传感器系统被设置成在其中未预期或检测到抽吸的第一模式下和其中预期或检 测到抽吸的第二模式下操作，所述方法包括以下步骤向感测电路提供脉冲驱动信号S1以便对所述感测电路供电，使得所述感测电路在脉冲 驱动信号S1为高时被供电而在脉冲驱动信号S1为低时不被供电，所述感测电路包括感测电 阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于所述感测电阻器的电阻变化来检测流体流 动，所述感测电路被设置成使得所述感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变化；以及在第一和第二操作模式之间切换所述传感器系统，其中，脉冲驱动信号S1在第一模式下具有第一频率f\，而在第二模式下具有大于第一频率的第二频率f2。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在第一和第二操作模式之间切换传感器系统的 步骤包括在检测到抽吸时将传感器系统从其中脉冲驱动信号S1具有第一频率的第一模 式切换到其中脉冲驱动信号S1具有第二频率f2的第二模式。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，在第一和第二操作模式之间切 换传感器系统的步骤包括基于用户习惯在预期发生抽吸时将传感器系统从其中脉冲驱动 信号S1具有第一频率的第一模式切换到其中脉冲驱动信号S1具有第二频率f2的第二模 式。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，还包括向烟雾发生系统中的其它组 件提供信号&的步骤，信号&在感测电路的电压输出指示检测到抽吸时是高的，并且信号 &在感测电路的电压输出指示未检测到抽吸时是低的。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，还包括调整所述传感器系统的灵敏 度的步骤，包括以下各项中的一个或多个周期性地调整所述感测电路中的可变电阻器的电阻；提供自调整偏移电路；以及向所述感测电路提供脉冲校准信号&。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，还包括根据由所述感测电路所检测 到的抽吸的特性向用户传送烟雾。
全文摘要
提供了一种用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统。所述传感器系统包括包含感测电阻器和电压输出的感测电路。所述感测电阻器被设置成基于电阻的变化来检测流体流动。所述感测电路被设置成使得感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变化。所述传感器系统还包括被设置成向感测电路提供脉冲驱动信号以便对感测电路供电的信号发生器。所述感测电路在脉冲驱动信号为高时被供电，而在脉冲驱动信号为低时不被供电。所述传感器系统被设置成在其中未预期或检测到抽吸且其中脉冲驱动信号具有第一频率的第一模式下和其中预期或检测到抽吸且其中脉冲驱动信号具有大于第一频率的第二频率的第二模式下操作。
文档编号G01F1/69GK102088875SQ200980126289
公开日2011年6月8日 申请日期2009年5月25日 优先权日2008年7月8日
发明者J-M·弗利克 申请人:菲利普莫里斯生产公司