CN110646017B - 流体传感装置以及流体传感器的故障检测方法 - Google Patents

流体传感装置以及流体传感器的故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够检测由附着异物引起的故障的热式流体传感装置以及流体传感器的故障检测方法。流体传感装置具有：流体传感器，其检测由加热产生的检测面上的温度分布并输出与流体的流动相应的信号值；下降时间计测部，其计测使上述加热停止以后的上述信号值的下降时间；以及故障判断部，其根据上述下降时间进行故障判断。

Description

流体传感装置以及流体传感器的故障检测方法
技术领域
本发明涉及一种流体传感装置以及流体传感器的故障检测方法。
背景技术
以往，已知一种流体传感装置，该流体传感装置具有对空气等流体的流动(流量、流速、方向等)进行检测的流体传感器。作为这种流体传感器，已知一种热式的流体传感器。该热式的流体传感器存在热敏电阻方式的流体传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems：微机电系统)方式的流体传感器。
热敏电阻方式的流体传感器通过配置在流路中加热的热敏电阻而构成。热量被流过流路的流体带走，由此热敏电阻的电阻值上升。该电阻值的上升率依赖于流体的流动而变化，因此通过计测热敏电阻的电阻值，能够检测流体的流动。
在形成于传感器芯片的膜(薄膜结构体)上设置加热器，在该加热器的上游侧和下游侧处配置温度检测体(电阻体)，由此构成MEMS方式的流体传感器。作为检测对象的流体流过膜上，由此在加热器的上游侧和下游侧产生与流体的流动相应的温度差。通过配置于上游侧和下游侧的两个温度检测体来检测该温度差，由此能够检测流体的流动。
提出了与流体传感器的故障检测有关的技术。
例如已知以下一种技术：为了检测在流路中流体是否正常流动，使用自发热热敏电阻，根据使自发热热敏电阻的温度上升的情况下的下降时的斜率，判断流路的状态(例如参照专利文献1)。
另外，还已知以下一种技术：通过配置于膜的温度检测体以及配置于膜外的基准电阻来构成桥电路，检测桥电路的输出，由此检测膜的故障(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本特表2016-510979号公报
专利文献2：日本特开2004-257870号公报
发明内容
在以往的热式的流体传感器中，有时由于附着异物而传感器输出发生变动。但是，即使传感器输出产生变动，也难以判断该变动是由附着异物引起的还是由实际流体的流动变化引起的。
专利文献1所记载的技术由于是判断流路的状态的技术，因此并未考虑由附着异物引起的故障。专利文献2所记载的技术是检测由膜破裂引起的断线，并未考虑到由附着异物引起的故障。
热式的流体传感器价格低廉，但是由于直接与检测对象的流体接触而使用，因此担心包含由附着异物引起的错误检测的故障。因此，检测对象仅限于由附着异物引起的故障的担心小的清洁的空气、惰性气体等。
本发明的目的在于，提供一种能够检测由附着异物引起的故障的热式的流体传感装置以及流体传感器的故障检测方法。
公开的技术是一种流体传感装置，该流体传感装置具有：流体传感器，其检测由加热产生的检测面上的温度分布并输出与流体的流动相应的信号值；下降时间计测部，其计测使上述加热停止以后的上述信号值的下降时间；以及故障判断部，其根据上述下降时间进行故障判断。
根据本发明，实现能够检测由附着异物引起的故障的热式的流体传感装置以及流体传感器的故障检测方法。
附图说明
图1是例示第一实施方式所涉及的流体传感装置的概要结构的图。
图2是表示微型计算机所具有的功能的功能框图。
图3是例示流体传感器的结构的图。
图4是例示桥电路的结构的电路图。
图5是说明故障检测动作的流程图。
图6是例示故障检测动作时的第一传感器输出信号的变化的图表。
图7是例示传感器输出信号的流速变动的影响的图表。
图8是表示图5示出的流程图的变形例的图。
图9是表示使一个X轴温度检测体偏离于用虚线表示的第一实施方式的位置的示例的图。
图10是表示故障检测用的温度检测体的配置例的图。
图11是表示将故障检测用的温度检测体的配置设为非对称的示例的图。
图12是例示能够进行加热器的故障检测的流体传感装置的概要结构的图。
图13是表示图12示出的流体传感装置的变形例的图。
图14是例示对加热器进行定电压驱动的情况下的电压施加方式的图。
图15是例示对加热器进行定电压驱动的情况下的其它电压施加方式的图。
图16是表示根据由检测电阻产生的电位差而进行加热器的故障检测的示例的图。
图中：10：半导体基板；10x：开口部；20：叠层结构部；20t：膜(薄膜结构部)；30、31：X轴温度检测体；32、33：Y轴温度检测体；40：发热电阻体；50：测温电阻体；90：第一桥电路；91、92：基准电阻；93：传感器放大器；95：第二桥电路；96、97：基准电阻；98：传感器放大器；100、100a、100b：流体传感装置；110：流体传感器；111：加热器(加热部)；112：温度差检测部；120：微型处理器(微型计算机)；121：流动计算部；122：加热器控制部；123：计时部；124：时间计测部；125：故障判断部。
具体实施方式
以下，参照附图说明用于实施发明的方式。在各图中，对相同结构部分附加相同的附图标记，有时省略重复的说明。
在本公开中，故障不仅是由断线等引起流体传感器无法进行动作的情况，还包含由异物的附着等而传感器输出发生变动从而错误地检测流体的流动的情况。
<第一实施方式>
[流体传感装置的概要结构]
图1是例示第一实施方式所涉及的流体传感装置的概要结构的图。
在图1中，流体传感装置100具有流体传感器110、微型处理器(以下，称为微型计算机)120、模拟前端(AFE)电路130。流体传感器110为包含加热器111和温度差检测部112的传感器芯片。加热器111为通过发热对后述的膜20t上的流体(空气、气体等)进行加热并产生温度分布的加热部。温度差检测部112至少针对一个方向检测在加热器111的上游侧与下游侧之间产生的温度差，输出与温度差相应的信号值。
微型计算机120为经由AFE电路130进行流体传感器110的驱动控制、基于来自流体传感器110的输出信号进行运算处理的运算控制装置。此外，除了微型计算机以外，也可以使用数字信号处理(DSP)电路。
AFE电路130根据来自微型计算机120的控制，驱动加热器111。在本实施方式中，AFE电路130通过使固定电流流过构成加热器111的发热电阻体40(参照图2)的定电流驱动来驱动加热器111。
另外，在AFE电路130上设置有将从温度差检测部112输入的模拟输出信号变换为数字信号的ADC(Analog-to-Digital Converter：模数变换器)131。
流体传感装置100例如使用于空调设备的流量控制、汽车的引擎内的空气的流量控制等。
图2是表示微型计算机120所具有的功能的功能框图。
在微型计算机120上构成流动计算部121、加热器控制部122、计时部123、下降时间计测部124以及故障判断部125。微型计算机120例如读取存储于未图示的存储器中的程序，并根据读取的程序进行处理，由此实现各功能部。
在后文中详细说明，流动计算部121根据温度差检测部112的输出信号来计算流体的流动(流量、流速、方向等)。加热器控制部122对加热器111进行打开/关闭等控制。计时部123为计测从指定的时间点起的经过时间的计时器功能。下降时间计测部124计测将加热器111关闭(停止加热)以后的温度差检测部112的输出信号的下降时间。故障判断部125根据由下降时间计测部124计测的下降时间，进行流体传感器110的故障判断。
[流体传感器的结构]
接着，说明流体传感器110的结构。图3是例示流体传感器110的结构的图，图3的(a)是俯视透视图，图3的(b)是沿图3的(a)的A-A线的截面图。
流体传感器110具有半导体基板10、叠层结构部20、X轴温度检测体30、31、Y轴温度检测体32、33、发热电阻体40、测温电阻体50、布线60～69以及接合焊盘(以下，称为焊盘)80～89。
半导体基板10为具有开口部10x的框状的硅基板。叠层结构部20为多个绝缘膜叠层而成，以堵塞开口部10x的方式设置于半导体基板10上。叠层结构部20的平面形状例如呈正方形。在叠层结构部20中，将开口部10x上的区域称为膜(薄膜结构部)20t。叠层结构部20的厚度为0.5～5μm左右。
膜20t的平面形状例如呈正方形。膜20t并未与半导体基板10接触，因此热容量小并温度容易上升。膜20t的上表面为用于检测作为检测对象的流体的流动的检测面。
此外，在图3中，将与叠层结构部20的正交的两个边平行的轴设为X轴和Y轴，并将与X轴和Y轴正交的方向设为Z轴。
在叠层结构部20上设置有X轴温度检测体30、31以及Y轴温度检测体32、33。另外，在叠层结构部20的上部处设置有布线60～69和焊盘80～89。发热电阻体40、X轴温度检测体30、31、Y轴温度检测体32、33以及测温电阻体50分别经由垂直布线与规定的布线相连接。
X轴温度检测体30、31形成于穿过膜20t的中心的X轴方向的线上。Y轴温度检测体32、33形成于穿过膜20t的中心的Y轴方向的线上。X轴温度检测体30、31将与X轴方向有关的温度差检测为电阻值的差。Y轴温度检测体32、33将与Y轴方向有关的温度差检测为电阻值的差。各温度检测体30～33为通过氧化钒等形成的电阻体，包含在温度差检测部112中。
X轴温度检测体30经由布线62与焊盘83相连接，经由布线63与焊盘82相连接。X轴温度检测体31经由布线64与焊盘84相连接，经由布线65与焊盘85相连接。
焊盘82和焊盘84在外部进行连接。另外，焊盘83和焊盘85分别在外部与GND和电源相连接。由此，X轴温度检测体30、31在GND与电源之间串联地连接，从与焊盘82、84之间的连接部得到中间电位。
Y轴温度检测体32经由布线67与焊盘87相连接，经由布线66与焊盘86相连接。另外，焊盘86经由布线69与Y轴温度检测体33相连接，Y轴温度检测体33经由布线68与焊盘88相连接。
焊盘87和焊盘88分别在外部与GND和电源相连接。由此，Y轴温度检测体32、33在GND与电源之间串联地连接，从焊盘86得到中间电位。
发热电阻体40经由布线60与焊盘80相连接，经由布线61与焊盘81连接。当在焊盘80与焊盘81之间施加电压时，电流流过发热电阻体40而发热。发热电阻体40由铂(Pt)、镍铬合金(NiCr)、多晶硅(p-Si)等形成。
测温电阻体50在焊盘80与焊盘89之间连接。测温电阻体50由铂(Pt)、镍铬合金(NiCr)、多晶硅(p-Si)等形成。
X轴温度检测体30、31和Y轴温度检测体32、33点对称地配置于发热电阻体40。具体地说，发热电阻体40配置于膜20t的中心。在本实施方式中，各温度检测体30～33配置于离发热电阻体40的距离相等的位置。
这样，流体传感器110为检测通过加热产生的检测面上的温度分布并输出与流体的流动相应的信号值(在上述结构中中间电位)的传感器元件。
[电路结构]
接着，说明包含温度检测体而构成的桥电路。图4是例示桥电路的结构的电路图。
在图4中，第一桥电路90具有X轴温度检测体30、31、基准电阻91、92以及传感器放大器93。第二桥电路95具有Y轴温度检测体32、33、基准电阻96、97以及传感器放大器98。
X轴温度检测体30、31在GND与电源之间串联地连接，从焊盘82与焊盘84的连接部得到第一中间电位X1。基准电阻91、92设置于流体传感器110的外部，是不易受到检测对象即流体的影响的结构。基准电阻91、92为与上述各温度检测体30～33同样地由氧化钒等形成的电阻体。基准电阻91、92在GND与电源之间串联地连接，从两者的连接部得到第一基准电位X0。
传感器放大器93的正输入端子与X轴温度检测体30、31的连接部相连接，负输入端子与基准电阻91、92的连接部相连接。即，在传感器放大器93中输入第一中间电位X1和第一基准电位X0，输出将两者的差分值(X1-X0)进行放大的放大信号即第一传感器输出信号Vx。第一传感器输出信号Vx为与X轴温度检测体30、31的电阻值的差对应的信号。
Y轴温度检测体32、33在GND与电源之间串联地连接，从两者的连接部即焊盘86得到第二中间电位Y1。基准电阻96、97设置于流体传感器110的外部，是不易受到流体的影响的结构。基准电阻96、97为与上述各温度检测体30～33同样地由氧化钒等形成的电阻体。基准电阻96、97在GND与电源之间串联地连接，从两者的连接部得到第二基准电位Y0。
传感器放大器98的正输入端子与焊盘86相连接，负输入端子与基准电阻96、97的连接部相连接。即，在传感器放大器98中输入第二中间电位Y1和第二基准电位Y0，输出将两者的差分值(Y1-Y0)进行放大的放大信号即第二传感器输出信号Vy。第二传感器输出信号Vy为与Y轴温度检测体32、33的差对应的信号。
上述ADC 131具有第一ADC 131x和第二ADC 131y。在第一ADC 131x中输入第一传感器输出信号Vx。在第二ADC 131y中输入第二传感器输出信号Vy。第一ADC 131x将第一传感器输出信号Vx变换为数字信号而输出。第二ADC 131y将第二传感器输出信号Vy变换为数字信号而输出。
在打开加热器111的状态下，在流体不向X轴方向流动的情况下，理想地，第一传感器输出信号Vx的信号值成为零。在流体流向X轴方向的情况下，第一传感器输出信号Vx成为与流体朝向X轴方向的流动相应的值。
同样地，在打开加热器111的状态下，在流体不向Y轴方向流动的情况下，理想地，第二传感器输出信号Vy的信号值成为零。在流体流向Y轴方向的情况下，第二传感器输出信号Vy成为与流向朝向Y轴方向的流动相应的值。
此外，温度检测体、基准电阻的电阻值由于温度、经年劣化而产生漂移，因此，通常，第一传感器输出信号Vx和第二传感器输出信号Vy即使加热器111被关闭且没有流体的流动也不会成为零，从而产生偏移。
如上所述，第一和第二桥电路90、95为输出上述中间电位与基准电位的差的电路，但是不一定必须设置，还能够将中间电位视为传感器输出信号。
[流体检测动作]
接着，说明流体传感装置100的流体检测动作。根据微型计算机120的控制来进行流体检测动作。在开始进行流体检测动作时，首先，微型计算机120经由AFE电路130对加热器111进行定电流驱动，使固定电流流过发热电阻体40，由此使发热电阻体40发热。由此，膜20t的温度上升，并对存在于检测面上的流体进行加热，而形成温度分布。
而且，微型计算机120使ADC 131进行动作，从上述温度差检测部112获取数字化后的第一传感器输出信号Vx和第二传感器输出信号Vy。流动计算部121根据第一传感器输出信号Vx，计算检测面上向X轴方向的流动(例如流速)。另外，流动计算部121根据第二传感器输出信号Vy，计算检测面上向Y轴方向的流动(例如流速)。
在检测面上的流体在X轴方向和Y轴方向上均未流动的情况下，温度分布以膜20t的中心为基准而大致均等。在该情况下，X轴温度检测体30的电阻值与X轴温度检测体31的电阻值大致相等，因此第一中间电位X1与GND和电源的中间电位(第一基准电位X0)大致相等。同样地，在该情况下，Y轴温度检测体32的电阻值与Y轴温度检测体33的电阻值大致相等，因此第二中间电位Y1与GND和电源的中间电位(第二基准电位Y0)大致相等。因而，在检测面上的流体并未流动的情况下，成为Vx≈0、Vy≈0。
另一方面，在检测面上的流体流动的情况下，检测面上的温度分布产生与流体的流动相应的不平衡。在流体在X轴方向上流动的情况下，X轴温度检测体30和X轴温度检测体31产生电阻值的差，从而第一中间电位X1发生变化。此时，第一基准电位X0不会变化，因此第一传感器输出信号Vx发生变化。同样地，在流体在Y轴方向上流动的情况下，Y轴温度检测体32和Y轴温度检测体33产生电阻值的差，第二中间电位Y1发生变化。此时，第二基准电位Y0不变化，因此第二传感器输出信号Vy发生变化。
此外，也可以是，流动计算部121根据第一传感器输出信号Vx和第二传感器输出信号Vy各自的大小、正负的关系，计算流体流动的方向(流向)、流量、流速等。也可以是，流动计算部121将第一传感器输出信号Vx及第二传感器输出信号Vy与流向、流量、流速等的关系作为表格而预先进行存储，在计算各值时使用该表格。
[故障检测动作]
接着，说明流体传感装置100的故障检测动作。根据微型计算机120的控制来进行故障检测动作。在该故障检测动作中，主要检测由异物附着于流体传感器110的膜20t上引起的故障。具体地说，根据由异物附着于膜20t上而热容量发生变化且传感器输出信号(第一传感器输出信号Vx和/或第二传感器输出信号Vy)的时间常数发生变化来检测故障。此外，在故障检测动作中，微型计算机120将传感器输出信号的信号值视为正的值。
图5是说明故障检测动作的流程图。图6是例示故障检测动作时的第一传感器输出信号Vx的变化的图表。在本实施方式中，根据第一传感器输出信号Vx进行故障检测。
以下，参照图5和图6说明故障检测动作时的微型计算机120的处理。
微型计算机120从外部接收故障检测动作的开始命令(步骤S1)。从由用户进行操作的未图示的操作部发送该开始命令。当接收开始命令时，微型计算机120通过加热器控制部122打开加热器111，使发热电阻体40的加热开始(步骤S2)。由此，第一传感器输出信号Vx开始上升。
此外，在没有上述偏移及流体的流动的理想状态下，由加热器111产生的温度分布变得均等，因此第一传感器输出信号Vx不上升。但是，通常，偏移、流体的流动并不会完全消失，因此打开加热器111并且第一传感器输出信号Vx上升。
之后，微型计算机120使发热电阻体40加热规定时间(步骤S3)。该规定时间为发热电阻体40的温度上升并饱和的足够的时间。在经过规定时间之后，微型计算机120通过加热器控制部122关闭加热器111，使发热电阻体40的加热停止(步骤S4)。由此，第一传感器输出信号Vx开始下降。
微型计算机120关闭加热器111并且通过计时部123开始进行计时(步骤S5)。下降时间计测部124在计时中从流体传感器110经由AFE电路130获取第一传感器输出信号Vx(步骤S6)。该第一传感器输出信号Vx的获取通过反复进行步骤S6～S8而每个固定时间进行，第一传感器输出信号Vx的信号值被存储于未图示的存储器。
当下降时间计测部124获取第一传感器输出信号Vx时，通过下降时间计测部124计算本次获取的信号值与上一次获取的信号值的差分值(步骤S7)。具体地说，下降时间计测部124计算将本次的信号值减去上一次的信号值而得到的值即差分值ΔVx。
当计算差分值ΔVx时，下降时间计测部124判断差分值ΔVx是否为阈值以下(步骤S8)。在第一差分值ΔVx不是阈值以下的情况下(步骤S8：“否”)，处理返回至步骤S6，下降时间计测部124再次获取第一传感器输出信号Vx。
另一方面，下降时间计测部124在第一差分值ΔVx变为阈值以下的情况下(步骤S8：“是”)，使计时部123的计时结束。此外，该阈值优选为与第一传感器输出信号Vx足够下降的情况下的信号值的变动幅度对应的值。
之后，下降时间计测部124计算从计时部123开始进行计时起至结束计时为止的时间，将计算值设为下降时间Tf(步骤S10)。
然后，故障判断部125将由下降时间计测部124计算出的下降时间Tf与基准时间Tref进行比较(步骤S11)。故障判断部125在下降时间Tf为基准时间Tref以下的情况下(步骤S11：“否”)，判断为流体传感器110为正常(步骤S12)。另一方面，故障判断部125在下降时间Tf大于基准时间Tref的情况下(步骤S11：“是”)，判断为流体传感器110故障(步骤S13)。此外，在图6中，Tf(w/o)表示正常时的下降时间，Tf(w)表示异常时的下降时间。
基准时间Tref通过实验等被预先设定为能够辨别正常时的下降时间Tf和故障时的下降时间Tf的值。
在本故障检测动作中，根据第一传感器输出信号Vx进行故障判断，但是也可以根据第二传感器输出信号Vy进行故障判断。并且，也可以根据第一传感器输出信号Vx和第二传感器输出信号Vy两者进行故障判断。在该情况下，例如分别对第一传感器输出信号Vx和第二传感器输出信号Vy进行上述步骤S5以后，在判断为至少一个故障的情况下，判断为流体传感器110故障即可。
另外，在步骤S1中，微型计算机120根据从外部输入的开始命令开始进行故障检测动作，但是微型计算机120也可以根据计时器等自动地开始进行故障检测动作。
[效果]
概要地通过以下式(1)表示传感器输出信号的时间常数τ。
τ＝C/G···(1)
在此，C为膜20t的热容量(J/K)，G为热导率(W/K)。
通过上述式(1)，可知在异物附着于膜20t的情况下，由异物引起热容量C增加而时间常数τ变大，由此下降时间Tf延长。
例如在将膜20t的平面形状的一边设为600μm的正方形、将膜20t的厚度设为1μm、将密度设为2200kg/m3、将比热设为745J/kg·K的情况下，并未附着异物的情况下的热容量C被计算为5.9×10-7J/K。该情况下的时间常数τ大约为30ms。
附着于膜20t的异物例如为砂粒。例如在将该砂粒的重量设为1μg的情况下，包含该砂粒的膜20t的热容量C被计算为1.3×10-6J/K。该情况下的时间常数τ大约为68ms。
这样，可知即使在附着有重量小到1μg的异物的情况下，时间常数τ成为两倍以上的值，下降时间Tf发生较大的变化。
因而，根据本实施方式的流体传感装置100，通过适当地设定基准时间Tref，能够检测出以往无法进行检测的由附着异物引起的故障。
此外，由上述时间常数τ的变化引起传感器输出信号的上升时间也发生变化，因此原理上也能够根据上升时间进行故障检测。但是，将加热器111设为打开之后的上升期间为通过加热形成温度分布的期间，因此在流速产生变动的情况下，受到由流速的变动引起的影响，传感器输出信号易于发生变动。因此，难以高精度地求出上升时间。
图7是概要地例示由传感器输出信号的流速的变动引起的影响的图表。如该图表所示，在流速发生变动的状况下，在上升期间中传感器输出信号易于发生变动，因此难以高精度地求出上升时间。与此相对，在下降时段中，由流速的变动引起的影响较小，传感器输出信号不易发生变动，因此能够高精度地求出下降时间Tf。
因而，如上述实施方式所示，根据传感器输出信号的下降时间Tf进行故障判断，由此能够高精度地进行故障检测。
另外，认为与流速相应地传感器输出信号的上升时间和下降时间Tf发生变动。认为流速为零的情况下上升时间最短，当流速变大时上升时间变长，在一定范围内(例如20～40ms)发生变动。相反地，认为在流速为零的情况下下降时间Tf最长，当流速变大时下降时间Tf缩短，在一定定范围内发生变动。
因此，根据流体传感器110为正常且流速为零的情况下的下降时间Tf来设定基准时间Tref即可。即，将基准时间Tref设定为比正常时的最大下降时间长且比故障时的下降时间Tf短的范围内即可。在出厂检查时等测量最大下降时间Tfm，使用该测量结果设定基准时间Tref即可。由此，防止在由风速发生变动而下降时间Tf发生变化时通过上述故障检测动作错误地判断为故障。
如上所述，根据本实施方式的流体传感装置100，能够检测由附着异物引起的故障，因此检测对象并不仅限于由附着异物引起的故障的担心较小的清洁的空气、惰性气体等。另外，流体传感装置100能够通过传感器芯片、微型计算机这种一般的结构来实现，因此能够以低成本进行制造，从而价格低廉。因此，流体传感装置100能够应用于各种用途、各种领域。例如在被称为IoT(Internet of Things：物联网)的领域中，要求设置很多传感器，因此流体传感装置100适合于IoT领域。
这样，流体传感装置100能够进行故障检测并且价格低廉，因此可以说与故障的发生较少的昂贵传感器相比更有用。
<第一实施方式的变形例>
以下，示出第一实施方式所涉及的流体传感装置的各种变形例。在各变形例中，对与第一实施方式相同的结构部附加相同的附图标记，省略说明。
[下降时间计测部]
对下降时间计测部124的变形例进行说明。下降时间计测部124对下降时间Tf的计测方法并不仅限于图5示出的方法，能够进行各种变形。
在第一实施方式中，下降时间计测部124根据本次获取的信号值和上一次获取的信号值这两个信号值的差分值，求出下降时间Tf，但是也可以根据三个以上的信号值求出下降时间Tf。例如在本次获取的信号值与上一次获取的信号值的差分值以及上一次获取的信号值与上上一次获取的信号值的差分值均为阈值以下的情况下，也可以使计时部123结束计时并求出下降时间Tf。
另外，也可以根据需要进行多个信号值的平均化。例如也可以在通过移动平均使信号值的变化平滑化之后，求出下降时间Tf。
另外，也可以是，下降时间计测部124不管差分值而判断传感器输出信号的信号值下降至规定值为止这一情况，由此求出下降时间Tf。该规定值例如为预先设定的固定值。此外，也可以是，在打开加热器111之前将传感器输出信号的信号值获取为初始值，将该初始值设为该规定值。即，也可以将关闭加热器111的状态下的传感器输出信号的信号值设为该规定值。
并且，还能够根据传感器输出信号的下降率求出下降时间Tf。图8是表示图5示出的流程图的变形例的图。图8示出的流程图是在图5的流程图中将步骤S6～S8替换为步骤S20～S22的流程图。省略图示步骤S1～S3和S11～S13。
在本变形例中，下降时间计测部124紧接着在关闭加热器111(步骤S5)、由计时部123开始进行计时(步骤S5)之后，获取第一传感器输出信号Vx，将获取的信号值作为初始值Vx(0)而存储到未图示的存储器(步骤S20)。此外，也可以在关闭加热器111之前获取该初始值Vx(0)。
下降时间计测部124在开始进行计时之后，获取第一传感器输出信号Vx，将获取的信号值作为当前值Vx(t)而存储到存储器(步骤S21)。下降时间计测部124使用存储于存储器的初始值Vx(0)和当前值Vx(t)，根据以下式(2)计算下降率Rf(步骤S22)。
Rf＝(Vx(0)-Vx(t))/Vx(0)···(2)
下降时间计测部124将计算出的下降率Rf与规定值R0进行比较，判断下降率Rf是否大于规定值R0(步骤S23)。在此，将规定值R0例如设为时间常数的计算中使用的值即“0.632”。其中，规定值R0并不限定于该值而可以适当地进行变更。
下降时间计测部124在下降率Rf为规定值R0以下的情况下(步骤S23：“否”)，使处理返回至步骤S21，再次获取第一传感器输出信号Vx。另一方面，在下降率Rf大于规定值R0的情况下(步骤S23：“是”)，下降时间计测部124使计时部123结束计时(步骤S9)。
之后，下降时间计测部124计算从计时部123开始进行计时起到结束计时为止的时间，将计算值设为下降时间Tf(步骤S10)。以下步骤与图5示出的流程图相同。
[温度检测体的配置]
接着，说明与温度检测体的配置有关的变形例。在第一实施方式中，将X轴温度检测体30、31和Y轴温度检测体32、33分别配置于离膜20t的中心(加热器111)的距离相等的位置，但是也可以使至少一个温度检测体偏离于该位置。
图9是表示使一个X轴温度检测体30偏离于用虚线表示的第一实施方式的位置的示例的图。在本例中，从加热器111至X轴温度检测体30为止的距离L1比从加热器111至X轴温度检测体31为止的距离L2长。因而，即使在流体并不流动、温度分布为均匀的情况下，在X轴温度检测体30、31之间也产生由温度差引起的电阻值的差。上述流动计算部121考虑该温度差而计算与X方向有关的流体的流动即可。
这样，在图9示出的示例中，即使流体不流动，也由于打开加热器111而在X轴温度检测体30、31之间产生温度差，从而第一传感器输出信号Vx上升。因而，下降时间计测部124即使在流体不流动的状况下，也能够根据第一传感器输出信号Vx，可靠地计测下降时间Tf。
此外，并不仅限于X轴温度检测体30、31，也可以将Y轴温度检测体32、33配置于离加热器111的距离不同的位置。
[故障检测用的温度检测体]
在第一实施方式中，使用流量检测用的温度检测体(X轴温度检测体30、31和Y轴温度检测体32、33)进行故障检测，但是也可以另行设置故障检测用的温度检测体。
图10是表示故障检测用的温度检测体200、210的配置例的图。在本例中，故障检测用的温度检测体200、210形成于通过膜20t的中心的Y轴方向的线上。由温度检测体200、210以及未图示的两个基准电阻和传感器放大器构成与图4相同的桥电路。下降时间计测部124根据从该桥电路输出的传感器输出信号计算下降时间Tf即可。
另外，为了可靠地进行故障检测，考虑使故障检测用的温度检测体200、210的一个位置偏离，相对于膜20t的中心非对称地配置。
图11是表示使故障检测用的温度检测体210偏离于图10示出的位置并将温度检测体200、210的配置设为非对称的示例的图。在本例中，使从加热器111至温度检测体210为止的距离大于从加热器111至温度检测体200为止的距离。在该情况下，即使流体不流动，也由于打开加热器111而在温度检测体200、210之间产生温度差，因此下降时间计测部124能够可靠地计测下降时间Tf。
此外，故障检测用的温度检测体200、210并不仅限于Y轴方向，也可以配置在X轴方向上。另外，也可以在X轴方向与Y轴方向这两者上设置故障检测用的温度检测体。
[加热器的故障检测]
在第一实施方式中，作为故障检测，检测异物附着于膜20t上，但是，除此以外也能够检测加热器111的故障。
图12是例示能够进行加热器111的故障检测的流体传感装置100a的概要结构的图。在流体传感装置100a中，AFE电路130将加热器111进行定电流驱动时的输出电压作为监视电压Vm并输入到微型计算机120。在微型计算机120上设置有用于将模拟的监视电压Vm变换为数字信号的ADC 300。
微型计算机120保持出厂检查时等正常时打开加热器111的情况下得到的监视电压Vm的信号值。微型计算机120将打开加热器111的情况下得到的监视电压Vm的信号值与正常时的信号值进行比较，能够检测断线等加热器111的故障。
图13是表示图12示出的流体传感装置的变形例的图。在图13中，在流体传感装置100b中，将监视电压Vm变换为数字信号的ADC 300被设置于AFE电路130内。在本变形例中，通过ADC 300数字化的监视电压Vm从AFE电路130被输入到微型计算机120。加热器111的故障检测动作与上述相同。
另外，在第一实施方式中，将加热器111的驱动方式设为定电流驱动，但是作为代替也可以设为定电压驱动。图14是例示将加热器111进行定电压驱动的情况下的电压施加方式的图。
在本例中，在作为串联连接的加热器111的发热电阻体40以及作为检测电阻的测温电阻体50中，在发热电阻体40侧连接GND，在测温电阻体50侧连接定电压电源。具体地说，在图3的(a)中，将焊盘81与GND连接，将焊盘89与定电压电源连接。从焊盘80得到监视电压Vm。该监视电压Vm通过图12或图13示出的ADC 300进行数字化。加热器111的故障检测动作与上述相同。
图15是例示将加热器111进行定电压驱动的情况下的其它电压施加方式的图。在本例中，在串联连接的发热电阻体40和测温电阻体50中，在测温电阻体50侧连接GND，在发热电阻体40侧连接定电压电源。具体地说，在图3的(a)中，将焊盘89与GND连接，将焊盘81与定电压电源连接。从焊盘80得到监视电压Vm。该监视电压Vm通过图12或图13示出的ADC 300进行数字化。加热器111的故障检测动作与上述相同。
另外，在图14和图15示出的示例中，根据发热电阻体40与测温电阻体50的连接部即焊盘89所产生的监视电压Vm进行加热器111的故障检测，但是还能够根据测温电阻体50所产生的电位差进行加热器111的故障检测。
图16是表示根据作为检测电阻的测温电阻体50所产生的电位差进行加热器111的故障检测的示例的图。在该图中，设置有比较器400。比较器400的一个输入端子与焊盘89相连接，另一个输入端子与焊盘80相连接。
在本例中，图3的(a)示出的焊盘81与GND连接。比较器400输出“0”或“1”的数字信号。例如，比较器400在加热器111为正常的情况下输出“0”，在加热器111发生故障而焊盘80的电位发生变化的情况下输出“1”。在本例中，不需要设置ADC 300。将比较器400的输出信号直接或经由AFE电路130输入到微型计算机120即可。微型计算机120在从比较器400输入表示“1”的输出信号的情况下，判断为加热器111发生故障。
[其它故障检测]
作为其它故障检测，还能够检测温度差检测部112的故障。具体地说，在出厂检查时等正常时获取关闭加热器111的情况下的传感器输出信号(第一传感器输出信号Vx和第二传感器输出信号Vy)的信号值，在信号值从正常时变化一定以上的情况下，判断为温度差检测部112发生故障即可。在关闭加热器111的情况下进行故障判断，由此不受流体的影响而能够进行故障判断。
另外，也能够根据加热器111的故障判断或温度差检测部112的故障判断的结果来检测由膜20t的断裂而产生的断线。
此外，在第一实施方式中，由包含温度检测体和基准电阻的桥电路构成温度差检测部112，但是不一定必须设置基准电阻。温度差检测部112检测在加热器111的上游侧与下游侧之间产生的温度差，输出与温度差相应的信号值即可。
以上，详细说明了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的范围内能够对上述实施方式施加各种变形和替换。

Claims (8)

1.一种流体传感装置，其特征在于，具有：
流体传感器，其检测由加热产生的检测面上的温度分布并输出与流体的流动相应的信号值；
下降时间计测部，其在使上述加热停止以后在每个固定时间获取上述信号值，计测上述信号值的下降时间；以及
故障判断部，其根据上述下降时间进行故障判断，
上述下降时间计测部计测直到上述信号值的差分值变为阈值以下为止的时间作为上述下降时间，
或者，上述下降时间计测部在使上述加热停止以后，求出上述信号值的下降率，计测上述下降率变得大于规定值的时间作为上述下降时间，
上述故障判断部通过将上述下降时间与基准时间进行比较来进行故障判断。
2.根据权利要求1所述的流体传感装置，其特征在于，
上述规定值为固定值。
3.根据权利要求1所述的流体传感装置，其特征在于，
上述规定值为在并不进行上述加热的状态下从上述流体传感器输出的信号值。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的流体传感装置，其特征在于，
上述流体传感器具有：加热部，其对流体进行加热并产生温度分布；以及温度差检测部，其检测在上述加热部的上游侧与下游侧之间产生的温度差，将与该温度差相应的信号值作为上述信号值并进行输出。
5.根据权利要求4所述的流体传感装置，其特征在于，
上述加热部及上述温度差检测部配置在形成于上述流体传感器的膜上。
6.根据权利要求5所述的流体传感装置，其特征在于，
上述温度差检测部包含配置于上述加热部的上游侧及下游侧的至少两个温度检测体，输出与上述两个温度检测体的电阻值的差对应的信号值。
7.根据权利要求6所述的流体传感装置，其特征在于，
上述两个温度检测体配置于离上述加热部的距离不同的位置。
8.一种流体传感器的故障检测方法，该流体传感器检测由加热产生的检测面上的温度分布并输出与流体的流动相应的信号值，其特征在于，
利用权利要求1～7的任一项所述的流体传感装置，根据使上述加热停止以后的上述信号值的下降时间进行故障判断。
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