胰島素注射用壓電微泵的性能研究

【作者】張芷菁，王 葳，陳信元

上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

胰島素注射用壓電微泵的性能研究

【作者】張芷菁，王 葳，陳信元

上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

在壓電微泵的性能方面，探討壓電陶瓷片在不同波形驅(qū)動(dòng)下微泵流速之比較，方波電壓驅(qū)動(dòng)微泵流速最大。微泵的流速與背壓幾乎成線性遞減關(guān)系，并且和選用管子的內(nèi)徑無關(guān)。壓電微泵的穩(wěn)定性不好并且存在衰減。

壓電微泵；胰島素泵

0 引言

隨著人們生活水平的提高和生活方式的轉(zhuǎn)變，糖尿病已成為多發(fā)病和常見病并成為人類繼心腦血管病、癌癥之后的第三大殺手。胰島素泵是糖尿病強(qiáng)化治療的最佳手段，不僅實(shí)現(xiàn)了血糖的最佳控制，而且對糖尿病治療過程中難以控制的高血糖、脆性糖尿病、反復(fù)低血糖、黎明現(xiàn)象、胃輕癱等常規(guī)注射方式難以控制血糖的情況提供了有效的手段。

為了實(shí)現(xiàn)胰島素泵的微型化，方便糖尿病患者使用，本研究著力于將泵體部分小型化，將壓電隔膜泵應(yīng)用到胰島素泵中去，作為其核心動(dòng)力部分，與傳統(tǒng)電機(jī)/減速器方式相比體積大大減小。本文對壓電微泵的性能[1-2]做了系統(tǒng)的測試和總結(jié)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

1.1 本實(shí)驗(yàn)所用到的設(shè)備及其說明

(1) 信號(hào)發(fā)生器

本實(shí)驗(yàn)所采用的信號(hào)發(fā)生器型號(hào)是XFD-8B，該儀器具有多種輸出波形，輸出電壓范圍0～250 V，頻率可調(diào)范圍0.000 5 Hz～10 kHz，用來提供壓電陶瓷元件致動(dòng)的交流電環(huán)境。

(2) 微量天平

本實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)是使用秒表計(jì)時(shí)1 min并收集壓電泵出口泵出來的液體，然后利用微量天平(精度0.000 1 g)稱其質(zhì)量，再換成泵的流速。微量天平采用德國Sartorious BT124S分析精密天平。

(3) 背壓模擬系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用傳感器標(biāo)定法來模擬實(shí)際背壓。傳感器測試部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置由上下兩層構(gòu)成，中間用硅橡膠膜隔開。上層開兩個(gè)小孔，液體從一邊進(jìn)入，從另一邊流出。下層最底部安裝壓力傳感器，并在硅膠膜下面的腔體內(nèi)注滿硅油。為防止胰島素或者硅油泄露，兩層之間加一密封圈。上下兩層用4個(gè)螺釘固定，底部傳感器密封。

圖1 傳感器測試剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sensor test profile structure diagram

(4) 微電壓泵系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖2 微電壓泵系統(tǒng)組裝示意圖Fig. 2 Micro voltage pump system assembly diagram

在系統(tǒng)裝配良好的情況下，單獨(dú)從4號(hào)口推藥，由于保護(hù)裝置的存在，保護(hù)膜將把5，6兩孔堵塞，液體不會(huì)從8流出，甚至液體都不會(huì)進(jìn)入泵液部分，因?yàn)樵摫Ｗo(hù)裝置對氣體同樣適用；將5號(hào)孔的管子拔除，然后從4號(hào)口向里注射液體，則泵液部分出口會(huì)有液體流出，待排空從4號(hào)孔至泵液部分出口之間的氣泡后，將5號(hào)口的管子裝上，這時(shí)，給泵液部分加上交變電壓，液體將從8號(hào)孔流出；將8號(hào)孔堵住，由于背壓的存在，傳感器讀數(shù)將發(fā)生變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)說明

本實(shí)驗(yàn)主要是測試壓電微泵的流速與其他條件（波形、驅(qū)動(dòng)電壓，頻率，背壓，管子直徑等）的關(guān)系以及微泵的穩(wěn)定性等問題，利用信號(hào)發(fā)生器及搭建起來的管路改變泵的工作環(huán)境，利用微量天平稱取一分鐘內(nèi)從泵的出口流出來的液體的質(zhì)量，建立起流速與其他參數(shù)之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)過程中所要采集的數(shù)據(jù)為：壓電微泵驅(qū)動(dòng)液體(水)的流速(mL/min)；驅(qū)動(dòng)電壓(V)、 頻率(Hz)、背壓(Pa)等。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 The experimental platform

2 性能研究

本研究所做的實(shí)驗(yàn)主要為了探討以下幾個(gè)問題：

(1) 探討壓電陶瓷片在不同波形驅(qū)動(dòng)下，微泵流速的比較，為驅(qū)動(dòng)電壓波形的選擇提供依據(jù)；

(2) 壓電微泵的流速與驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的關(guān)系，為壓電微泵工作找到一個(gè)合適的工作點(diǎn)；

(3) 探討粗管與細(xì)管對壓電微泵工作效率的影響；

(4) 壓電微泵流速與背壓的關(guān)系，測試壓電微泵在出口背壓不同的情況下其流速的變化情況；

(5) 討論壓電微泵性能的穩(wěn)定性，探討長時(shí)間工作下壓電微泵泵液效率是否會(huì)有衰減。

2.1 驅(qū)動(dòng)電壓波形的選擇[3]

本研究所用的XFD-8B超低頻信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生正弦波、鋸齒波和方波，選用哪種波形作為驅(qū)動(dòng)是首先需要決定的。圖4是在不同峰峰值分別為100 V、150 V、200 V下，不同波形驅(qū)動(dòng)壓電微泵工作之效果，頻率取100 Hz，出口處高度約10 cm（距泵所在平面）。

圖4 不同波形下微泵的效率Fig.4 Efficiency under different waveforms micro pump

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，壓電微泵在方波驅(qū)動(dòng)下流速最快。分析認(rèn)為，主要有以下幾個(gè)原因：

(1) 相同電壓下，方波是三種波形中有效值最大的一個(gè)，三種波形有效值之間的換算關(guān)系如下：

(2) 單向閥結(jié)構(gòu)的原因 由于所選用的是薄膜式單向閥，其打開和關(guān)閉都是受驅(qū)動(dòng)電壓的形狀決定的，而方波從正半周期變換到負(fù)半周期是突變，而不是像正弦波或鋸齒波是漸變過程，這種波形更有利于單向閥的打開與閉合，提高了泵的效率。但是，曾研究過不同占空比下的方波驅(qū)動(dòng)的壓電微泵的效率，在占空比極大（趨于1）或極小（趨于0）的情況下，壓電微泵幾乎不工作。

(3) 壓電陶瓷材料的影響 壓電陶瓷是成分復(fù)雜的陶瓷固溶體。不同成分不同工藝的壓電陶瓷在其介電性、壓電性都有不同的特性。

根據(jù)圖4可知，壓電微泵在方波的驅(qū)動(dòng)下流速最快，因此本研究決定選用方波作為壓電微泵的驅(qū)動(dòng)電壓。

2.2 微泵工作點(diǎn)的討論

前期研究發(fā)現(xiàn)，壓電微泵在高頻區(qū)不穩(wěn)定，且頻率過高會(huì)降低壓電陶瓷的壽命，因此本次實(shí)驗(yàn)所采集數(shù)據(jù)頻率在10～100 Hz之間；為了保證壓電陶瓷不被擊穿，所選電壓峰峰值亦不超過200 V。圖5是壓電微泵在不同電壓下流速與頻率的關(guān)系，圖6是不同頻率下流速與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系，出口處高度約為5 cm（距泵所在平面）。

圖5 微泵流速與頻率的關(guān)系Fig.5 The relationship between velocity and frequency of themicro pump

圖6 微泵流速與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系Fig.6 Micro pump flow rate and voltage relationship

從圖5可以看出，微泵的流速隨頻率增大而變大，在10～40Hz內(nèi)基本成線性關(guān)系，40～100 Hz階段，變化較前平緩。該實(shí)驗(yàn)說明，一定驅(qū)動(dòng)電壓下，無需一味通過增加頻率來增加流速，可以適當(dāng)?shù)亟档皖l率從而延長壓電陶瓷的使用壽命。

從圖6可以看出，微泵的流速隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而變大，基本上成線性關(guān)系，但180～200 V這一段曲線較前面的曲線平緩。該實(shí)驗(yàn)說明，在選擇驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)低于其壓電陶瓷的耐壓值，從而保證壓電微泵的壽命和穩(wěn)定性。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，要求所選的頻率不能太大，本研究在后面實(shí)驗(yàn)中，將頻率暫定在50 Hz。驅(qū)動(dòng)電壓的選擇亦受到很多限制，首先為了人體安全考慮，電壓不宜過高，其次，若將壓電微泵做成胰島素泵，在使用紐扣電池供電的情況下把幾伏的直流電轉(zhuǎn)變成幾十伏的交流電，這在電子學(xué)上仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，本研究所制作的高壓發(fā)生部分，能夠把3.6 V的直流電壓成功變換成128 V的方波電壓；再次，驅(qū)動(dòng)電壓選擇過高會(huì)增大功率，不利于長久使用。綜合這三個(gè)因素，本研究將驅(qū)動(dòng)電壓暫定在120 V。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)，120 V，50 Hz條件下流速可達(dá)1.7 mL/min，根據(jù)泵液關(guān)系公式，系數(shù)為：

陶瓷片每動(dòng)作一次可打出液體的量為0.57 μL，若是胰島素，即是0.057單位的量，其實(shí)這個(gè)值已經(jīng)很大了(傳統(tǒng)胰島素泵的分辨率可達(dá)到0.05單位，即1 h內(nèi)胰島素的輸注誤差不超過0.05個(gè)單位，1個(gè)單位即0.01 mL)，但為了實(shí)驗(yàn)測量方便，本研究暫時(shí)采用這個(gè)工作條件，待實(shí)驗(yàn)成熟，只需降低工作電壓，即可降低泵液系數(shù)的值，也就提高了精度。

通過上述計(jì)算可知，應(yīng)用到胰島素泵領(lǐng)域，并不是像有的文獻(xiàn)中報(bào)道的微泵流速越大越好，胰島素的輸注，是很微小的量。當(dāng)然這里并不是說不要管微泵的效率，不能簡單得把流速等同于效率，還要考慮微泵的功率等因素?？梢悦鞔_的是，當(dāng)泵的效率高時(shí)，只需花費(fèi)很小的能量就能達(dá)到理想的效果，這是微泵發(fā)展的一個(gè)方向。

2.3 粗細(xì)管對實(shí)驗(yàn)的影響

按照微泵流速的控制理論，必須事先計(jì)算出泵液系數(shù)，泵液系數(shù)的計(jì)算必須要有背壓條件，本研究所采用的背壓模擬系統(tǒng)乃是用液體的高度來制造出的，但液體在不同管徑的管子內(nèi)部的流動(dòng)是不一樣的，因此，選用什么內(nèi)徑的管子作為泵液系數(shù)計(jì)算的依據(jù)，成為下一步實(shí)驗(yàn)首要解決的問題。

實(shí)驗(yàn)選用一根內(nèi)徑為3.6 mm的塑料管子和一個(gè)自制的變化內(nèi)徑的吸管，最大處為1mm，最小處為0.5 mm，長度90 cm。測試時(shí)，將管子的出口固定在不同的高度，記錄傳感器讀數(shù)并測量每分鐘流出液體的量。測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同管徑流速與傳感器的關(guān)系Fig.7 Relation between velocity and sensor in different pipe

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，無論采用粗管還是細(xì)管，流速與傳感器讀數(shù)的關(guān)系是固定的，也就是說，不管采用哪種管徑的管子測量流速與傳感器讀數(shù)的關(guān)系，都是沒有影響的。但是，很多文獻(xiàn)報(bào)道中，把液面的高度認(rèn)為與背壓等同，這是一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，使用粗管和細(xì)管，在相同的液面高度下打出液體的量相差是很大的，甚至能相差數(shù)十倍。然而若采用傳感器的數(shù)值來標(biāo)示背壓，則可以消除這個(gè)錯(cuò)誤。

2.4 不同背壓下微泵之流速

流速隨背壓的增大而減小，背壓代表阻力，所以背壓越大，泵的流速也就越小，本研究所測的數(shù)據(jù)也符合這個(gè)關(guān)系。

圖8是本文所測的流速與背壓的關(guān)系，也就是上一節(jié)當(dāng)中用粗管所測之?dāng)?shù)據(jù)，圖8把傳感器的數(shù)值換算成了壓力，僅此區(qū)別而已。本文所采集的背壓范圍并沒有文獻(xiàn)中所報(bào)道那么寬泛。

圖8 微泵流速與背壓的關(guān)系Fig.8 The relationship between micro pump flow rateand back pressure

從圖8可以看出，流速與背壓幾乎成線性遞減關(guān)系。

2.5 穩(wěn)定性測試

微泵的穩(wěn)定性乃是微泵流量控制的一個(gè)關(guān)鍵，就要求泵液系數(shù)不能衰減，泵液系數(shù)由流速推算而來，因此流速亦不能衰減。本節(jié)所測試的數(shù)據(jù)是在這樣的環(huán)境下測出的：峰峰值124 V方波，頻率50 Hz，背壓8.51 kPa（0.409 V）。測試方法則盡量模擬胰島素泵工作環(huán)境：每5 min測量一次，每次測量1 min所打出的液體的量（比胰島素泵的藥量大得多，這里為了測量方便）。測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 壓電微泵穩(wěn)定性測試Fig.9 Piezoelectric micro pump stability test

本研究在第4 d所測試之結(jié)果為：0.32 mL/min。將這4 d的數(shù)據(jù)放置在一起，如圖10所示。

圖10 四天內(nèi)壓電微泵流速變化趨勢Fig.10 Within four days of piezoelectric micro pump flow ratechange trend

從圖9可以看出，單獨(dú)每天測試微泵的流速是非常穩(wěn)的。而從圖10可知，泵的流速每天都在衰減。在第4 d測試完畢之后，拆除實(shí)驗(yàn)裝置，重新連接，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，再次測量壓電微泵的流速，測試方法同上，竟然發(fā)現(xiàn)微泵的流速恢復(fù)到0.7 mL/min。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了微泵的衰減性和不穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

在性能研究方面，本文探討了不同驅(qū)動(dòng)波形，不同工作條件，粗細(xì)管等對壓電微泵性能的影響以及壓電微泵的穩(wěn)定性。綜合本研究結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1) 壓電微泵單向閥閉合與張開的有效性對其性能影響很大。方波電壓驅(qū)動(dòng)微泵流速最大，約是正弦波驅(qū)動(dòng)的兩倍，鋸齒波驅(qū)動(dòng)的三倍；壓電微泵在高頻區(qū)工作時(shí)，閥膜的開關(guān)與閉合的頻率亦不能和驅(qū)動(dòng)電壓的頻率匹配，故壓電微泵的效率與驅(qū)動(dòng)頻率之間的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系，而是一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系。

(2)壓電微泵工作時(shí)，并不能簡單把液面高度等同于背壓。本研究采用傳感器標(biāo)定的方式來消除這個(gè)差異，傳感器將液面高度（靜態(tài)背壓）和阻力綜合反映出來，本文認(rèn)為，這才是真正的背壓。經(jīng)測試，微泵的流速與背壓幾乎成線性遞減關(guān)系，并且和選用管子的內(nèi)徑無關(guān)。這是流量控制的一個(gè)關(guān)鍵。

(3) 壓電微泵的穩(wěn)定性不好并且存在衰減。穩(wěn)定性不好是因?yàn)楸们粌?nèi)容易混進(jìn)微小氣泡，導(dǎo)致微泵的性能下降，采取一定的措施后，微泵性能可望得到恢復(fù)；衰減則是微泵性能一種不可逆的變化，無論采取什么措施均不能使其性能恢復(fù)。

[1] 陳堅(jiān)美, 應(yīng)濟(jì). 壓電微泵性能的終端特性分析及其模擬研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2003(4): 179-182.

[2] 崔琦峰, 劉成良, Xuan F.(William)Zha.串聯(lián)壓電微泵特性研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 19(5): 1974-976.

[3] 國海峰, 肖站, 李生. 壓電泵的驅(qū)動(dòng)電源研制及其特性研究[C].上海: 微特電機(jī), 2011: 36-40.

Study on the Performance of Piezoelectric Micro Pump for Insulin Injection

【W(wǎng)riters】ZHANG Zhijing, WANG Wei, CHEN Xinyuan

Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318

In terms of performance of piezoelectric micro pump, this paper explores the piezoelectric ceramic plate in different wave driven micro pump flow rate. The conclusion is that the square wave voltage gets the biggest micro pump velocity. The velocity and pressure of the micro pump is almost linear relationship, and having nothing to do with the different inner diameter pipes. The piezoelectric micro pump’s stability is not good and exists attenuation.

piezoelectric micro pump, insulin pump

TH789

A

1671-7104(2015)01-0064-04

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.01.018

2014-01-23

張芷菁，E-mail: octavia_961@126.com