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(duì)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(duì)壓電微泵的性能做了系統(tǒng)的測(cè)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Kibron公司生產(chǎn)的SuperG超微量天平。

(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(cè)試部分的結(jié)構(gòu)：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。

(4)微電壓泵系統(tǒng)連接如圖1所示。

圖1微電壓泵系統(tǒng)組裝示意圖

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(duì)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(cè)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。

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(duì)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(cè)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(zhǎng)時(shí)間工作下壓電微泵泵液效率是否會(huì)有衰減。

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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)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)。