胰岛素注射用压电微泵的性能研究

【作者】张芷菁，王 葳，陈信元

上海市医疗器械检测所，上海市，201318

胰岛素注射用压电微泵的性能研究

【作者】张芷菁，王 葳，陈信元

上海市医疗器械检测所，上海市，201318

在压电微泵的性能方面，探讨压电陶瓷片在不同波形驱动下微泵流速之比较，方波电压驱动微泵流速最大。微泵的流速与背压几乎成线性递减关系，并且和选用管子的内径无关。压电微泵的稳定性不好并且存在衰减。

压电微泵；胰岛素泵

0 引言

随着人们生活水平的提高和生活方式的转变，糖尿病已成为多发病和常见病并成为人类继心脑血管病、癌症之后的第三大杀手。胰岛素泵是糖尿病强化治疗的最佳手段，不仅实现了血糖的最佳控制，而且对糖尿病治疗过程中难以控制的高血糖、脆性糖尿病、反复低血糖、黎明现象、胃轻瘫等常规注射方式难以控制血糖的情况提供了有效的手段。

为了实现胰岛素泵的微型化，方便糖尿病患者使用，本研究着力于将泵体部分小型化，将压电隔膜泵应用到胰岛素泵中去，作为其核心动力部分，与传统电机/减速器方式相比体积大大减小。本文对压电微泵的性能[1-2]做了系统的测试和总结。

1 实验平台的搭建

1.1 本实验所用到的设备及其说明

(1) 信号发生器

本实验所采用的信号发生器型号是XFD-8B，该仪器具有多种输出波形，输出电压范围0～250 V，频率可调范围0.000 5 Hz～10 kHz，用来提供压电陶瓷元件致动的交流电环境。

(2) 微量天平

本实验所采集的数据是使用秒表计时1 min并收集压电泵出口泵出来的液体，然后利用微量天平(精度0.000 1 g)称其质量，再换成泵的流速。微量天平采用德国Sartorious BT124S分析精密天平。

(3) 背压模拟系统

本实验采用传感器标定法来模拟实际背压。传感器测试部分的结构如图1所示。该装置由上下两层构成，中间用硅橡胶膜隔开。上层开两个小孔，液体从一边进入，从另一边流出。下层最底部安装压力传感器，并在硅胶膜下面的腔体内注满硅油。为防止胰岛素或者硅油泄露，两层之间加一密封圈。上下两层用4个螺钉固定，底部传感器密封。

图1 传感器测试剖面结构图Fig.1 Sensor test profile structure diagram

(4) 微电压泵系统连接如图2所示。

图2 微电压泵系统组装示意图Fig. 2 Micro voltage pump system assembly diagram

在系统装配良好的情况下，单独从4号口推药，由于保护装置的存在，保护膜将把5，6两孔堵塞，液体不会从8流出，甚至液体都不会进入泵液部分，因为该保护装置对气体同样适用；将5号孔的管子拔除，然后从4号口向里注射液体，则泵液部分出口会有液体流出，待排空从4号孔至泵液部分出口之间的气泡后，将5号口的管子装上，这时，给泵液部分加上交变电压，液体将从8号孔流出；将8号孔堵住，由于背压的存在，传感器读数将发生变化。

1.2 实验说明

本实验主要是测试压电微泵的流速与其他条件（波形、驱动电压，频率，背压，管子直径等）的关系以及微泵的稳定性等问题，利用信号发生器及搭建起来的管路改变泵的工作环境，利用微量天平称取一分钟内从泵的出口流出来的液体的质量，建立起流速与其他参数之间的关系。

实验过程中所要采集的数据为：压电微泵驱动液体(水)的流速(mL/min)；驱动电压(V)、 频率(Hz)、背压(Pa)等。

图3 实验平台Fig.3 The experimental platform

2 性能研究

本研究所做的实验主要为了探讨以下几个问题：

(1) 探讨压电陶瓷片在不同波形驱动下，微泵流速的比较，为驱动电压波形的选择提供依据；

(2) 压电微泵的流速与驱动电压和频率的关系，为压电微泵工作找到一个合适的工作点；

(3) 探讨粗管与细管对压电微泵工作效率的影响；

(4) 压电微泵流速与背压的关系，测试压电微泵在出口背压不同的情况下其流速的变化情况；

(5) 讨论压电微泵性能的稳定性，探讨长时间工作下压电微泵泵液效率是否会有衰减。

2.1 驱动电压波形的选择[3]

本研究所用的XFD-8B超低频信号发生器能够产生正弦波、锯齿波和方波，选用哪种波形作为驱动是首先需要决定的。图4是在不同峰峰值分别为100 V、150 V、200 V下，不同波形驱动压电微泵工作之效果，频率取100 Hz，出口处高度约10 cm（距泵所在平面）。

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

从实验结果可以看出，压电微泵在方波驱动下流速最快。分析认为，主要有以下几个原因：

(1) 相同电压下，方波是三种波形中有效值最大的一个，三种波形有效值之间的换算关系如下：

(2) 单向阀结构的原因 由于所选用的是薄膜式单向阀，其打开和关闭都是受驱动电压的形状决定的，而方波从正半周期变换到负半周期是突变，而不是像正弦波或锯齿波是渐变过程，这种波形更有利于单向阀的打开与闭合，提高了泵的效率。但是，曾研究过不同占空比下的方波驱动的压电微泵的效率，在占空比极大（趋于1）或极小（趋于0）的情况下，压电微泵几乎不工作。

(3) 压电陶瓷材料的影响 压电陶瓷是成分复杂的陶瓷固溶体。不同成分不同工艺的压电陶瓷在其介电性、压电性都有不同的特性。

根据图4可知，压电微泵在方波的驱动下流速最快，因此本研究决定选用方波作为压电微泵的驱动电压。

2.2 微泵工作点的讨论

前期研究发现，压电微泵在高频区不稳定，且频率过高会降低压电陶瓷的寿命，因此本次实验所采集数据频率在10～100 Hz之间；为了保证压电陶瓷不被击穿，所选电压峰峰值亦不超过200 V。图5是压电微泵在不同电压下流速与频率的关系，图6是不同频率下流速与驱动电压的关系，出口处高度约为5 cm（距泵所在平面）。

图5 微泵流速与频率的关系Fig.5 The relationship between velocity and frequency of themicro pump

图6 微泵流速与驱动电压的关系Fig.6 Micro pump flow rate and voltage relationship

从图5可以看出，微泵的流速随频率增大而变大，在10～40Hz内基本成线性关系，40～100 Hz阶段，变化较前平缓。该实验说明，一定驱动电压下，无需一味通过增加频率来增加流速，可以适当地降低频率从而延长压电陶瓷的使用寿命。

从图6可以看出，微泵的流速随驱动电压的增大而变大，基本上成线性关系，但180～200 V这一段曲线较前面的曲线平缓。该实验说明，在选择驱动电压时，应远低于其压电陶瓷的耐压值，从而保证压电微泵的寿命和稳定性。

根据实验，要求所选的频率不能太大，本研究在后面实验中，将频率暂定在50 Hz。驱动电压的选择亦受到很多限制，首先为了人体安全考虑，电压不宜过高，其次，若将压电微泵做成胰岛素泵，在使用纽扣电池供电的情况下把几伏的直流电转变成几十伏的交流电，这在电子学上仍是一个挑战，本研究所制作的高压发生部分，能够把3.6 V的直流电压成功变换成128 V的方波电压；再次，驱动电压选择过高会增大功率，不利于长久使用。综合这三个因素，本研究将驱动电压暂定在120 V。根据本实验，120 V，50 Hz条件下流速可达1.7 mL/min，根据泵液关系公式，系数为：

陶瓷片每动作一次可打出液体的量为0.57 μL，若是胰岛素，即是0.057单位的量，其实这个值已经很大了(传统胰岛素泵的分辨率可达到0.05单位，即1 h内胰岛素的输注误差不超过0.05个单位，1个单位即0.01 mL)，但为了实验测量方便，本研究暂时采用这个工作条件，待实验成熟，只需降低工作电压，即可降低泵液系数的值，也就提高了精度。

通过上述计算可知，应用到胰岛素泵领域，并不是像有的文献中报道的微泵流速越大越好，胰岛素的输注，是很微小的量。当然这里并不是说不要管微泵的效率，不能简单得把流速等同于效率，还要考虑微泵的功率等因素。可以明确的是，当泵的效率高时，只需花费很小的能量就能达到理想的效果，这是微泵发展的一个方向。

2.3 粗细管对实验的影响

按照微泵流速的控制理论，必须事先计算出泵液系数，泵液系数的计算必须要有背压条件，本研究所采用的背压模拟系统乃是用液体的高度来制造出的，但液体在不同管径的管子内部的流动是不一样的，因此，选用什么内径的管子作为泵液系数计算的依据，成为下一步实验首要解决的问题。

实验选用一根内径为3.6 mm的塑料管子和一个自制的变化内径的吸管，最大处为1mm，最小处为0.5 mm，长度90 cm。测试时，将管子的出口固定在不同的高度，记录传感器读数并测量每分钟流出液体的量。测量结果如图7所示。

图7 不同管径流速与传感器的关系Fig.7 Relation between velocity and sensor in different pipe

从实验结果来看，无论采用粗管还是细管，流速与传感器读数的关系是固定的，也就是说，不管采用哪种管径的管子测量流速与传感器读数的关系，都是没有影响的。但是，很多文献报道中，把液面的高度认为与背压等同，这是一个错误的认识，使用粗管和细管，在相同的液面高度下打出液体的量相差是很大的，甚至能相差数十倍。然而若采用传感器的数值来标示背压，则可以消除这个错误。

2.4 不同背压下微泵之流速

流速随背压的增大而减小，背压代表阻力，所以背压越大，泵的流速也就越小，本研究所测的数据也符合这个关系。

图8是本文所测的流速与背压的关系，也就是上一节当中用粗管所测之数据，图8把传感器的数值换算成了压力，仅此区别而已。本文所采集的背压范围并没有文献中所报道那么宽泛。

图8 微泵流速与背压的关系Fig.8 The relationship between micro pump flow rateand back pressure

从图8可以看出，流速与背压几乎成线性递减关系。

2.5 稳定性测试

微泵的稳定性乃是微泵流量控制的一个关键，就要求泵液系数不能衰减，泵液系数由流速推算而来，因此流速亦不能衰减。本节所测试的数据是在这样的环境下测出的：峰峰值124 V方波，频率50 Hz，背压8.51 kPa（0.409 V）。测试方法则尽量模拟胰岛素泵工作环境：每5 min测量一次，每次测量1 min所打出的液体的量（比胰岛素泵的药量大得多，这里为了测量方便）。测试结果如图9所示。

图9 压电微泵稳定性测试Fig.9 Piezoelectric micro pump stability test

本研究在第4 d所测试之结果为：0.32 mL/min。将这4 d的数据放置在一起，如图10所示。

图10 四天内压电微泵流速变化趋势Fig.10 Within four days of piezoelectric micro pump flow ratechange trend

从图9可以看出，单独每天测试微泵的流速是非常稳的。而从图10可知，泵的流速每天都在衰减。在第4 d测试完毕之后，拆除实验装置，重新连接，并重复实验，再次测量压电微泵的流速，测试方法同上，竟然发现微泵的流速恢复到0.7 mL/min。

这个实验说明了微泵的衰减性和不稳定性。

3 结论

在性能研究方面，本文探讨了不同驱动波形，不同工作条件，粗细管等对压电微泵性能的影响以及压电微泵的稳定性。综合本研究结果得到以下结论：

(1) 压电微泵单向阀闭合与张开的有效性对其性能影响很大。方波电压驱动微泵流速最大，约是正弦波驱动的两倍，锯齿波驱动的三倍；压电微泵在高频区工作时，阀膜的开关与闭合的频率亦不能和驱动电压的频率匹配，故压电微泵的效率与驱动频率之间的关系并不是简单的线性关系，而是一个复杂的关系。

(2)压电微泵工作时，并不能简单把液面高度等同于背压。本研究采用传感器标定的方式来消除这个差异，传感器将液面高度（静态背压）和阻力综合反映出来，本文认为，这才是真正的背压。经测试，微泵的流速与背压几乎成线性递减关系，并且和选用管子的内径无关。这是流量控制的一个关键。

(3) 压电微泵的稳定性不好并且存在衰减。稳定性不好是因为泵腔内容易混进微小气泡，导致微泵的性能下降，采取一定的措施后，微泵性能可望得到恢复；衰减则是微泵性能一种不可逆的变化，无论采取什么措施均不能使其性能恢复。

[1] 陈坚美, 应济. 压电微泵性能的终端特性分析及其模拟研究[J].工程设计学报, 2003(4): 179-182.

[2] 崔琦峰, 刘成良, Xuan F.(William)Zha.串联压电微泵特性研究[J].传感技术学报, 2006, 19(5): 1974-976.

[3] 国海峰, 肖站, 李生. 压电泵的驱动电源研制及其特性研究[C].上海: 微特电机, 2011: 36-40.

Study on the Performance of Piezoelectric Micro Pump for Insulin Injection

【Writers】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

张芷菁，E-mail: octavia_961@126.com