液态金属的直写式拉伸变阻器

实验装置仍然如图11.1所示，只是将测试对象更换为表面涂覆有液态金属墨水的弹性橡胶线。橡胶线的泊松比为0.2，弹性模量大，可拉伸至600%，从而使制得的变阻器具有较大的可调电阻范围［2］。实验方法仍为标准四探针法。测得结果如图11.3所示。

图11.3　弹性线拉伸过程中液态金属变阻器的电阻变化［2］

从图11.3中可以看出，将弹性线拉伸至其原长的140%时，液态金属的电阻值增至原来的180%。电阻变化率和长度变化率之间近似呈二次曲线关系。但明显发现各点误差都大于封装测试的情况，而且各点数值较封装情况都偏小。推测产生这一现象的原因主要是液态金属墨水未封装。在拉伸过程中，随着液态金属膜层变薄，更多液态金属表面暴露在空气中，从而使越来越多的液态金属被氧化，导致其电阻率和体积出现变化［2］。

为进一步得到液态金属直写式拉伸变阻器的可靠性，将橡胶线从100 mm拉伸至200 mm（拉伸200%）再释放，重复数十次，截取其中10次操作得到的电阻性能如图11.4所示。

图11.4　液态金属直写式拉伸变阻器的10次拉伸——释放过程［2］

从图11.4中可以看出，10次拉伸——释放过程中，电阻的最小值和最大值均在0.22Ω和0.58Ω附近，表现出较好稳定性。但在数十次拉伸——释放的过程中，印刷变阻器的阻值呈现出一定程度的上浮趋势，电阻的最小值和最大值分别从0.17 Ω和0.51 Ω升至0.24Ω和0.63Ω，分别增大了41%和24%。如图11.5所示。这一现象在拉伸电子中普遍存在，其原因主要是残余应力的存在，使弹性体无法恢复至原长。(www.xing528.com)

图11.5　液态金属直写式拉伸变阻器的多次拉伸——释放过程［2］

为了测试液态金属直写式拉伸变阻器的性能，可构建一个简单的LED电路系统，旨在通过拉伸变阻器来调节LED灯的亮度［2］。LED灯的工作电压为2V，采用一节4V的电池对电路供电。测试中将长为100 mm的液态金属直写式拉伸变阻器接入电路中。用摄影机拍摄变阻器拉伸——释放过程中LED灯的亮度变化，分别对释放时刻和拉伸至200%的时刻截图，如图11.6所示。从图中可以看出，拉伸变阻器后LED灯的亮度发生明显变化。从测量变阻器拉伸前后LED灯光强最强处的照射距离，即图中黄色光部分，可知变阻器拉伸前该距离为36 mm，而拉伸后该距离为27 mm。由此可见，制得的拉伸变阻器可实现调节电路中电流大小的作用。

图11.6　拉伸变阻器的电路实测［2］

实验中还发现一个特别现象［2］，即当液态金属墨水薄膜的厚度较薄时，会出现拉伸时LED灯熄灭，再释放时LED灯又重新亮起的现象，重复多次亦如此，如图11.7所示。推测出现这种现象的原因是弹性线未拉伸时，液态金属墨水层虽相互连通，但薄膜较薄；一旦拉伸后，薄膜变得更薄，导致部分位置的墨水薄膜断裂，从而使得变阻器的电阻趋于无穷大，即出现断路；再释放时，断路位置又重新连通。这一现象可用于制作液态金属拉伸开关。很明显，存在一个临界膜厚δ0，当液态金属墨水薄膜的膜厚δ＞δ0时，可形成液态金属直写式拉伸变阻器；而当δ＜δ0时，成为液态金属直写式拉伸开关。

图11.7　拉伸开关的电路实测［2］