CN110131141A - 一种易维护的自调节式压电药物输送泵 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流体传输与控制领域，具体涉及一种易维护的自调节式压电药物输送泵。包括有药物输送泵单元以及电控单元，药物输送泵单元由双晶片压电振子进行驱动和阀控，通过泵送液体介质挤压药物储存器进行药物输送，药物储存器可单独更换；电控单元驱动模块连接双晶片压电振子其中一个压电陶瓷晶片与金属基板用于的驱动，感应模块连接另一个压电陶瓷晶片与金属基板用于压电振子的感应电压信号收集；电控单元微控制器模块通过感应电压信号实时分析获得各压电振子工作状态，并与预先设定值匹对，实时获得驱动信号，可以实现药物输出自调节。特色与优势：药物利用率高、易维护，输出性能自调节，集成度和输出精度高。
Description
技术领域
本发明属于微流体传输与控制领域，具体涉及一种易维护的自调节式压电药物输送泵。
背景技术
压电流体驱动技术具有结构简单、体积小、功耗低、控制精确以及无电磁干扰等优点，在药物输送领域具有广泛的应用前景，受到了国内外研究人员的持续关注，如中国专利200610016573.9提出一种集成式精密药物输送泵，其采用多压电振子方式构成薄膜泵进行药物输送，提高了药物输送泵的输出压力和流量；中国专利201420698443.8提出一种谐振型压电隔膜泵，其采用压电共振效应进行药物输送，结构紧凑且输出能力强。但现有压电药物输送泵存在以下缺点：1、采用直接输药方式(药物直接经过泵腔)，药物会在泵腔内残留，药物的利用率低，且药物更换过程中，需对流道和泵腔进行清洁和消毒处理，维护难度大；2、在最佳工作频率下工作，而外界条件的变化会引起最佳工作频率的漂移，所以输出性能受外部环境因素影响大，很难通过调节控制参数进行药物输出的精密调节；3、高精度输出时需依靠外部检测设备，这不仅提高了机械复杂程度，而且也增加了系统质量、整体成本以及外形尺寸。上述缺点严重地阻碍了压电药物输送泵的推广使用。
发明内容：
针对现有压电驱动药物输送泵的问题，本发明提出一种易维护的自调节式压电药物输送泵，以下简称药物输送泵。
本发明采取的技术方案是：包括泵壳，泵壳内部从左至右依次设置有柔性囊、上盖体、泵体、中间层和端盖；所述端盖通过螺钉与泵壳固定；所述柔性囊安装在上盖体上，柔性囊中装有流体介质；所述的泵体结合密封圈在朝向上盖体一端安装有第一压电振子，结合密封圈在朝向中间层一端安装有第二压电振子、第三压电振子；所述泵体设置有泵腔；所述上盖体和泵体设置有进口通道，进口通道连接柔性囊与泵腔，进口通道与泵腔的通断由第三压电振子控制；所述中间层与泵体设置有出口通道，出口通道连接柔性隔膜与泵腔，柔性隔膜与中间层相连，出口通道与泵腔的通断由第二压电振子控制；药物储存器为整体可拆卸部件，包括柔性药物囊和基体，柔性药物囊与基体相连，基体上设置有药物储存腔和药物出口，药物储存器与中间层连接；所述柔性药物囊与柔性隔膜紧密贴合；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子为双晶片压电振子，由第一压电陶瓷晶片、金属基板和第二压电陶瓷晶片同心粘接而成，且金属基板直径大于第一压电陶瓷晶片和第二压电陶瓷晶片；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子所包含的第二压电陶瓷晶片均安装在泵腔一侧；电控单元中第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的第一压电陶瓷晶片与金属基板用于压电振子的驱动；电控单元中第一感应模块、第二感应模块、第三感应模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的第二压电陶瓷晶片与金属基板用于压电振子的感应电压信号收集。需要说明的是：第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块施加电压信号，第一压电陶瓷晶片在逆压电效应作用下产生径向变形，由于第一压电陶瓷晶片、金属基板与第二压电陶瓷晶片硬性粘合，金属基板以及第二压电陶瓷晶片将被迫产生弯曲变形，在正压电效应的作用下，第二压电陶瓷晶片产生感应电压信号。
工作过程中，工作状态可分为初始、第一、第二、第三、第四工作状态，初始工作状态：第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块不施加驱动电压，第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均处于不变形状态，如图1所示；第一工作状态：第二驱动模块施加与第一压电陶瓷晶片极化方向相同的电压、第三驱动模块施加与第一压电陶瓷晶片极化方向相反的电压，驱动电压逐步增大，第二压电振子向内变形开始关闭、第三压电振子向外变形开始打开，第二感应模块、第三感应模块通过第二压电陶瓷晶片输出的感应电压实时监测第二压电振子和第三压电振子的变形情况，当感应到第三压电振子完全开启(即感应电压值达到预设值)，固定第三驱动模块的当前驱动电压值，当感应到第二压电振子完全关闭，固定第二驱动模块的当前驱动电压值，此时进口通道与泵腔连通、出口通道与泵腔断开，如图2所示；第二工作状态：第一驱动模块施加与第一压电陶瓷晶片极化方向相反的电压且电压逐步增大，第一压电振子向外变形，泵腔容积开始增加，在第一感应模块通过感应电压感应到第一压电振子变形达到预定值时(即感应电压值达到预设值)，固定第一驱动模块的当前驱动电压值，柔性囊内液体介质进入泵腔，如图3所示；第三工作状态：第二驱动模块施加与第一压电陶瓷晶片极化方向相反的电压、第三驱动模块施加与第一压电陶瓷晶片极化方向相同的电压，驱动电压逐步增大，第三压电振子向内变形开始关闭、第二压电振子向外变形开始打开，当第三感应模块感应到第三压电振子完全关闭，固定第三驱动模块的当前驱动电压值，当第二感应模块感应到第二压电振子完全开启，固定第二驱动模块的当前驱动电压值，进口通道与泵腔断开、出口通道与泵腔连通，如图4所示；第四工作状态：第一驱动模块施加与第一压电陶瓷晶片极化方向相同的电压且电压逐步增大，第一压电振子向内变形，泵腔容积开始减少，液体介质由泵腔排出，挤压柔性隔膜和柔性药物囊膜，药物开始输出，与此同时，第一感应模块感应到第一压电振子变形达到预定值后，固定第一驱动模块的当前驱动电压值，如图5所示；施加交变电压信号，第一、二、三、四工作状态依次重复可实现药物的连续输出；在药物储存器中药物用尽后，药物储存器整体更换，重新安装过程中，将第二压电振子、第三压电振子完全开启，在挤压作用下液体介质重回柔性囊中，安装完毕后，第二压电振子、第三压电振子关闭，药物输送泵重回初始工作状态。
下面对本发明做进一步阐述：输入模块设定某一时间段的药物输出量，设定药物输出量导入微控制器，通过微控制器模块计算获得设定药物输出量相对应的第一压电振子感应电压信号的幅值和脉冲数，药物输出量与第一压电振子感应电压信号幅值、脉冲数的关系为：其中η为系统标定系数，d1为第一压电振子的变形直径，Us为感应电压信号幅值，N为感应电压信号脉冲数，h31为第二压电陶瓷晶片的刚度系数；第一感应模块、第二感应模块、第三感应模块实时获得第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子感应电压信号，导入微控制器模块，微控制器模块对感应电压信号进行实时分析，并通过第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块对压电振子进行控制，相关信息在显示模块上显示；微控制器模块通过对感应电压信号设定阈值从而判定第二压电振子、第三压电振子的完全开启与完全关闭，压电振子变形与感应电压信号幅值的关系为：Us＝η′h31δ，其中η′为系统标定系数，δ为压电振子中心处最大位移量；通过第一感应模块、第二感应模块、第三感应模块感应电压信号的实时监测并结合第一驱动模块、第二驱动模块、第二驱动模块的配合驱动，可获得预先设定的药物输出量。
本发明的特色及优势在于：①药物利用率高、易维护：采用间接药物输送方式，药物不经过泵腔，不会出现药物在泵腔内滞留的情况，药物能得到充分的利用，同时在药物用尽后，可对药物储存器(一次性)整体进行更换，操作简便，使用者易于维护；②输出性能自调节：综合各压电振子的变形感应信号，驱动信号实时自动生成，且在非共振状态下工作，不存在阀的反向泄露，可有效可靠地保证每一脉冲驱动下药物输出量，在外部环境变化的情况下可实现驱动参数的自调节；③集成度和精度高：同步实现药物输送与输出性能测量，无需外部药物输出检测设备，集成度高且易于获得高精度的药物流量输出。
附图说明：
图1是本发明实施例提供的药物输送泵结构及其剖面示意图；
图2是本发明实施例提供的药物输送泵第一工作状态示意图；
图3是本发明实施例提供的药物输送泵第二工作状态示意图；
图4是本发明实施例提供的药物输送泵第三工作状态示意图；
图5是本发明实施例提供的药物输送泵第四工作状态示意图；
图6是本发明实施例压电振子及电控单元示意图。
图标：1-柔性囊；2-泵壳；31-第一压电振子；32-第二压电振子；33-第三压电振子；300-第一压电陶瓷晶片；301-金属基板；302-第二压电陶瓷晶片；41、42、43-密封圈；5-出口通道；6-柔性隔膜；7-端盖；8-药物储存器；81-柔性药物囊；82-基体；820-药物储存腔；821-药物出口；9-中间层；10-泵体；11-泵腔；12-进口通道；13-上盖体；m11-第一驱动模块；m12-第二驱动模块；m13-第三驱动模块；m2-显示模块；m3-微控制器模块；m4-输入模块；m51-第一感应模块；m52-第二感应模块；m53-第三感应模块。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6，下面将结合附图对本发明实施的药物输送泵作详细说明。
本发明实施例提供了一种易维护的自调节式压电药物输送泵，包括泵壳2，泵壳2内部从左至右依次设置有柔性囊1、上盖体13、泵体10、中间层9和端盖7；所述端盖7通过螺钉与泵壳2固定；所述柔性囊1安装在上盖体11上，柔性囊1中装有流体介质；所述的泵体10结合密封圈43在朝向上盖体11一端安装有第一压电振子31，结合密封圈41、42在朝向中间层9一端安装有第二压电振子32、第三压电振子33；所述泵体10设置有泵腔11；所述上盖体13和泵体10设置有进口通道12，进口通道12连接柔性囊1与泵腔11，进口通道12与泵腔11的通断由第三压电振子33控制；所述中间层9与泵体10设置有出口通道5，出口通道连接柔性隔膜6与泵腔11，柔性隔膜6与中间层9相连，出口通道5与泵腔11的通断由第二压电振子32控制；药物储存器8为整体可拆卸部件，包括柔性药物囊81和基体82，柔性药物囊81与基体82相连，基体82上设置有药物储存腔820和药物出口821，药物储存器8与中间层9连接；所述柔性药物囊81与柔性隔膜6紧密贴合；所述第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33为双晶片压电振子，由第一压电陶瓷晶片300、金属基板301和第二压电陶瓷晶片302同心粘接而成，且金属基板301直径大于第一压电陶瓷晶片300和第二压电陶瓷晶片302；所述第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33所包含的第二压电陶瓷晶片302均安装在泵腔11一侧；电控单元中第一驱动模块m11、第二驱动模块m12、第三驱动模块m13通过导线分别连接第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33的第一压电陶瓷晶片300与金属基板301用于压电振子的驱动；电控单元中第一感应模块m51、第二感应模块m52、第三感应模块m53通过导线分别连接第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33的第二压电陶瓷晶片302与金属基板300用于压电振子的感应电压信号收集。需要说明的是：第一驱动模块m11、第二驱动模块m12、第三驱动模块m13施加电压信号，第一压电陶瓷晶片300在逆压电效应作用下产生径向变形，由于第一压电陶瓷晶片300、金属基板301与第二压电陶瓷晶片302硬性粘合，金属基板301以及第二压电陶瓷晶片302将被迫产生弯曲变形，在正压电效应的作用下，第二压电陶瓷晶片302产生感应电压信号。
本实施例的具体工作过程，叙述如下：
工作状态可分为初始、第一、第二、第三、第四工作状态，初始工作状态：第一驱动模块m11、第二驱动模块m12、第三驱动模块m13不施加驱动电压，第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33均处于不变形状态，如图1所示；第一工作状态：第二驱动模块m12施加与第一压电陶瓷晶片300极化方向相同的电压、第三驱动模块m13施加与第一压电陶瓷晶片300极化方向相反的电压，驱动电压逐步增大，第二压电振子32向内变形开始关闭、第三压电振子33向外变形开始打开，第二感应模块m52、第三感应模块m53通过第二压电陶瓷晶片302输出的感应电压实时监测第二压电振子32和第三压电振子33的变形情况，当感应到第三压电振子33完全开启(即感应电压值达到预设值)，固定第三驱动模块m13的当前驱动电压值，当感应到第二压电振子32完全关闭，固定第二驱动模块m12的当前驱动电压值，此时进口通道12与泵腔11连通、出口通道5与泵腔11断开，如图2所示；第二工作状态：第一驱动模块m11施加与第一压电陶瓷晶片300极化方向相反的电压且电压逐步增大，第一压电振子31向外变形，泵腔11容积开始增加，在第一感应模块m51通过感应电压感应到第一压电振子31变形达到预定值时(即感应电压值达到预设值)，固定第一驱动模块m11的当前驱动电压值，柔性囊1内液体介质进入泵腔53，如图3所示；第三工作状态：第二驱动模块m12施加与第一压电陶瓷晶片300极化方向相反的电压、第三驱动模块m13施加与第一压电陶瓷晶片300极化方向相同的电压，驱动电压逐步增大，第三压电振子33向内变形开始关闭、第二压电振子32向外变形开始打开，当第三感应模块m53感应到第三压电振子33完全关闭(即感应电压值达到预设值)，固定第三驱动模块m13的当前驱动电压值，当第二感应模块m52感应到第二压电振子32完全开启(即感应电压值达到预设值)，固定第二驱动模块m12的当前驱动电压值，进口通道12与泵腔11断开、出口通道5与泵腔11连通，如图4所示；第四工作状态：第一驱动模块m11施加与第一压电陶瓷晶片300极化方向相同的电压且电压逐步增大，第一压电振子31向内变形，泵腔11容积开始减少，液体介质由泵腔11排出，挤压柔性隔膜6和柔性药物囊膜81，药物开始输出，与此同时，第一感应模块m51感应到第一压电振子31变形达到预定值后(即感应电压值达到预设值)，固定第一驱动模块m11的当前驱动电压值，如图5所示；施加交变电压信号，第一、二、三、四工作状态依次重复可实现药物的连续输出；在药物储存器中药物用尽后，药物储存器8整体更换，重新安装过程中，将第二压电振子32、第三压电振子33完全开启，在挤压作用下液体介质重回柔性囊1中，安装完毕后，第二压电振子32、第三压电振子33关闭，药物输送泵重回初始工作状态。
下面对本发明做进一步阐述：输入模块m4设定某一时间段的药物输出量，设定药物输出量导入微控制器m3，通过微控制器模块m3计算获得设定药物输出量相对应的第一压电振子31感应电压信号的幅值和脉冲数，药物输出量与第一压电振子31感应电压信号幅值、脉冲数的关系为：其中η为系统标定系数，d1为第一压电振子31的变形直径，Us为感应电压信号幅值，N为感应电压信号脉冲数，h31为第二压电陶瓷晶片302的刚度系数；第一感应模块m51、第二感应模块m52、第三感应模块m53实时获得第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33感应电压信号，导入微控制器模块m3，微控制器模块m3对感应电压信号进行实时分析，并通过第一驱动模块m11、第二驱动模块m12、第三驱动模块m13对压电振子进行控制，相关信息在显示模块m2上显示；微控制器模块m3通过对感应电压信号设定阈值从而判定第二压电振子32、第三压电振子33的完全开启与完全关闭，压电振子变形与感应电压信号幅值的关系为：Us＝η′h31δ，其中η′为系统标定系数，δ为压电振子中心处最大位移量；通过第一感应模块m51、第二感应模块m52、第三感应模块m53感应电压信号的实时监测并结合第一驱动模块m11、第二驱动模块m12、第二驱动模块m13的配合驱动，可获得预先设定的药物输出量。
Claims (3)
1.一种易维护的自调节式压电药物输送泵，其特征在于：包括泵壳，泵壳内部从左至右依次设置有柔性囊、上盖体、泵体、中间层和端盖；所述端盖通过螺钉与泵壳固定；所述柔性囊安装在上盖体上，柔性囊中装有流体介质；所述的泵体结合密封圈在朝向上盖体一端安装有第一压电振子，结合密封圈在朝向中间层一端安装有第二压电振子、第三压电振子；所述泵体设置有泵腔；所述上盖体和泵体设置有进口通道，进口通道连接柔性囊与泵腔，进口通道与泵腔的通断由第三压电振子控制；所述中间层与泵体设置有出口通道，出口通道连接柔性隔膜与泵腔，柔性隔膜与中间层相连，出口通道与泵腔的通断由第二压电振子控制；药物储存器为整体可拆卸部件，包括柔性药物囊和基体，柔性药物囊与基体相连，基体上设置有药物储存腔和药物出口，药物储存器与中间层连接；所述柔性药物囊与柔性隔膜紧密贴合；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子为双晶片压电振子，由第一压电陶瓷晶片、金属基板和第二压电陶瓷晶片同心粘接而成，且金属基板直径大于第一压电陶瓷晶片和第二压电陶瓷晶片；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子所包含的第二压电陶瓷晶片均安装在泵腔一侧；电控单元中第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的第一压电陶瓷晶片与金属基板用于压电振子的驱动；电控单元中第一感应模块、第二感应模块、第三感应模块通过导线分别连接第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的第二压电陶瓷晶片与金属基板用于压电振子的感应电压信号收集。
2.根据权利要求1所述易维护的自调节式压电药物输送泵，其特征在于：药物储存器为一次性使用部件，可进行整体更换。
3.根据权利要求2所述易维护的自调节式压电药物输送泵，其特征在于：输入模块设定某一时间段的药物输出量，设定药物输出量导入微控制器，通过微控制器模块计算获得设定药物输出量相对应的第一压电振子感应电压信号的幅值和脉冲数，药物输出量与第一压电振子感应电压信号幅值、脉冲数的关系为：其中η为系统标定系数，d1为第一压电振子的直径，Us为感应电压信号幅值，N为感应电压信号脉冲数，h31为第二压电陶瓷晶片的刚度系数；第一感应模块、第二感应模块、第三感应模块实时获得第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子感应电压信号，导入微控制器模块，微控制器模块对感应电压信号进行实时分析，并通过第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块对压电振子进行控制，相关信息在显示模块上显示；微控制器模块通过对感应电压信号设定阈值从而判定第二压电振子、第三压电振子的完全开启与完全关闭，压电振子变形与感应电压信号幅值的关系为：Us＝η′h31δ，其中η′为系统标定系数，δ为压电振子中心处最大位移量。
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