压电型多振子单腔精密药物输送泵

　　精密药物输送泵是随着生化科技以及医疗技术的发展而出现的一项微流体控制新技术。目前精密药物输送泵在医疗方面得到了广泛的应用, 例如用于健康检测系统的血液采集装置[1]、糖尿病患者的胰岛素输送以及癌症患者的定量给药等场合[2]。常见的精密药物输送泵有:静电驱动[2-4],热气驱动[5,6],压电驱动[7-10]以及电磁驱动[10]等多种驱动形式。每种驱动方式都有其各自的优缺点。综合利弊,通常选择压电驱动器作为精密药物输送装置的驱动元件。压电驱动器又分为不同类型[11,12],其中的压电晶片式驱动器具有制作简单、成本低廉、易于集成等特点,由其构成的压电薄膜泵成为近一段时期研究的热点。以往压电薄膜泵的研究主要通过对压电振子、泵体结构进行理论与实验分析找到泵的最佳工作频率,此时泵的流量与压力均达到最大。但由于经过长时间运行之后,泵的最佳频率点会发生飘移,这就需要泵的驱动电路具有跟踪频率的功能,以保证泵具有一致的工作特性,但这样会使驱动电路变得复杂,并且泵工作在最佳频率点时,整个泵腔接近于谐振状态,产生的噪音过大。作者利用多个压电振子在同相位工作时的容积变化实现流体的吸入与泵出;采用整体开启阀提高泵的单向截止性,减少泵的回流现象。由于采用多个振子变形的叠加,在静态工作下就可以达到足够的输出流量,提高了泵的输出稳定性。驱动波形为脉冲方波信号,适合数字控制方式,简化了泵的驱动电路。结合波形幅值控制方法可使泵的输出流量具有良好的分辨率特性。

　　1　工作原理

　　图1中,压电振子3、4、5、6与入口阀2、出口阀7形成封闭的泵腔。阀2与阀7分别位于泵的入口通道1和出口通道8处,采用整体开启式单向阀。

　　根据实际应用的性能要求,可以通过增加或者减少压电振子的数量来实现一定的输出能力。这种多振子单腔体结构与以往的多振子多腔泵的主要区别是单腔体结构只有一个入口阀和一个出口阀,使泵的结构更为简单可靠。图1所示的多振子单腔泵采用4个压电振子,构成四振子单腔泵。图1(a)为四振子单腔泵的初始状态。压电振子驱动电压为零,入口阀和出口阀均处于关闭状态。图1(b)为四振子单腔泵的吸入状态。压电振子在驱动电压的作用下产生向泵腔外侧的变形,使得泵腔的容积增大。在泵腔负压的作用下,入口阀打开,出口阀关闭,药物由入口通道进入泵腔,实现了药物的吸入过程。图1(c)为四振子单腔泵的泵出状态。图中4个压电振子在驱动电压的作用下产生向泵腔内侧的变形,泵腔的容积变小。产生的压力将出口阀打开,入口阀在压力的作用下关闭。这样,药物由泵腔经出口通道泵出腔体外部。实现了药物的泵出过程。驱动电压回零时,压电振子回到平衡位置,泵处于图1(d)所示的状态。为实现药物的连续泵出,施加连续的、正负变化的驱动信号。所加驱动信号可以是低频方波,亦可为低频正弦波,由于泵工作在静态或者准静态下,其输出的稳定性大为提高。