PIEZOELEKTRIK
Oleh:
Ichwan Yelfianhar
Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton.
Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik
terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik.
Jacques dan Pierre Curie mengombinasikan pengetahuan akan piroelektrisitas (kemampuan bahan‐bahan tertentu untuk menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan‐bahan itu dipanaskan atau didinginkan) dengan pemahaman akan struktur dan
perilaku sebuah kristal pada kristal turmalin, kuarsa, ratna cempaka, dan garam rossel. Dari uji coba
tersebut diketahui bahwa kristal kuarsa dan garam
rossel memperlihatkan kemampuan piezoelektrisitas paling besar saat itu.
Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi.
Fenomena tersebut dikenal dengan
electrostriction
Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dsb.
Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan
negative membentuk elektroda‐elektroda yang
menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).
(A) Sebelum diberi tekanan atau medan listrik.
(B) Ketika diberi medan listrik, bahan memanjang.
(C) Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek.
(D) Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar terjadi.
Karakteristik Bahan Piezoelektrik
Fenomena efek piezoelektrik dapat digambarkan sebagai berikut:Piezoelectricity is the combined effect of the electrical behavior of the material:
where D is the electric charge density displacement (electric displacement), ε is permittivity and E is electric field strength, and Hooke's Law:
where S is strain, s is compliance and T is stress.
These may be combined into so‐called coupled equations, of which the strain‐charge form is:
where [d] is the matrix for the direct piezoelectric effect and [dt] is the matrix for the converse piezoelectric effect. The
superscript E indicates a zero, or constant, electric field; the superscript T indicates a zero, or constant, stress field; and the superscript t stands for transposition of a matrix.
The strain‐charge for a material of the 4mm (C4v) crystal class (such as a poled piezoelectric ceramic such as tetragonal PZT or BaTiO3) as well as the 6mm crystal class may also be written as (ANSI IEEE 176):
where the first equation represents the relationship for the converse piezoelectric effect and the latter for the direct piezoelectric effect.[8]
Although the above equations are the most used form in literature, some comments about the notation are necessary. Generally D and E are vectors, that is, Cartesian tensor of rank‐1; and permittivity ε is Cartesian tensor of rank 2. Strain and stress are, in principle, also rank‐2 tensors. But conventionally, because strain and stress are all symmetric tensors, the subscript of strain and stress can be re‐ labeled in the following fashion: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Different convention may be used by different authors in literature. Say, some use 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 instead.) That is why
S and T appear to have the "vector form" of 6 components.
Consequently, s appears to be a 6 by 6 matrix instead of rank‐4 tensor. Such a re‐labeled notation is often called Voigt notation.
In total, there are 4 piezoelectric coefficients, dij, eij, gij, and hij defined as follows:
where the first set of 4 terms correspond to the direct piezoelectric effect and the second set of 4 terms correspond to the converse piezoelectric effect [9]. A
formalism has been worked out for those piezoelectric crystals, for which the polarization is of the crystal‐field induced type, that allows for the calculation of piezoelectrical coefficients dij from electrostatic lattice constants or higher‐order Madelung constants [5].
1. Penghasil listrik tegangan tinggi
Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik
Bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda potensial hingga ribuan volt sehingga banyak digunakan sebagai sumber tegangan tinggi. Salah alat yang bekerja dengan prinsip ini antara lain:
Electric cigarette lighter: pressing the button causes a spring‐ loaded hammer to hit a piezoelectric crystal, producing a sufficiently high voltage electric current that flows across a small spark gap, thus heating and igniting the gas. The portable sparkers used to light gas grills or stoves work the same way, and many types of gas burners now have built‐in piezo‐based ignition systems
2. Transduser
Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik
Transduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energi kedalam bentuk energi yang lain. Transduser ultrasonik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dalam bentuk suara dan sebaliknya. Transduser akan mengeluarkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi di atas 20 kHz. Transduser ultrasonik 40 kHz akan membangkitkan gelombang dengan frekuensi 40 kHz, transduser akan aktif jika diberi sinyal dengan frekuensi dengan 40 kHz. Transduser ultrasonik terdiri atas dua macam yaitu pengirim (transmitter) Tx dan penerima (receiver) Rx. Transduser ultrasonik terbuat dari material piezoeletrik, yaitu terbuat dari material quartz (SiO3) atau barium titanat (BaTiO3) yang akan menghasilkan medan listrik pada saat material berubah bentuk atau dimensinya sebagai akibat gaya mekanik.Beberapa transduser yang bekerja menggunakan bahan piezo elektrik antara lain:
Piezoelectric elements are also used in the detection and generation of sonar waves.
Power monitoring in high power applications (e.g. medical treatment, sonochemistry and industrial processing).
Piezoelectric microbalances are used as very sensitive chemical and biological sensors.
Piezos are sometimes used in strain gauges.
Piezoelectric transducers are used in electronic drum
pads to detect the impact of the drummer's sticks.
Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik
Pada Sistem Sonar
Piezoelektrik bukanlah suatu dielektrik yang bagus. Ada sedikit kebocoran muatan pada material piezoelektrik. Karena fenomena ini, ada suatu konstanta waktu penyimpanan tegangan pada piezoelektrik setelah diberikan suatu gaya. Konstanta waktu ini tergantung pada kapasitansi elemennya dan pada resistansi kebocorannya. Konstanta waktunya berada pada orde 1 detik. Karena efek ini, piezoelektrik kurang bermanfaat untuk mendeteksi besaran static seperti berat suatu benda.
Kelemahan dan Kekurangan material
Piezoelektrik
Aspek penting lainnya dalam penggunaan piezoelektrik adalah adanya kenyataan bahwa material piezoelektrik dibuat melalui proses kristalisasi kisi‐kisi (laticce) dalam susunan tertentu. Hal tersebut dilakukan dengan memanskan kristal sampai diatas suhu Curie sambil menerapkan tegangan pada elektrodanya. Jika kristal telah dipanaskan mendekati suhu Curie, material tersebut dapat menjadi “ de pole “ yang dapat menghasilkan pengurangan sensitifitas piezoelektrik. Untuk beragam material, suhu curie ini berada antara 50 – 600 ° C. Pemanasan dibawah suhu Curie dapat membatasi penggunaan sensor ini.
Kelemahan dan Kekurangan material
Piezoelektrik
Kekurangan utama sensing piezoelektrik ini adalah sensitifitasnya hanya bagus untuk sinyal yang berubah‐ubah terhadap waktu. Sensing piezoelektrik tidak dapat beoperasi untuk aplikasi‐aplikasi yang membutuhkan sensitifitas terhadap besaran statik. Meskipun demikian, jika ada sinyal yang berubah terhadap waktu, perlu adanya pemikiran yang serius pada penggunaan elemen sensing piezoelectric.
Kelemahan dan Kekurangan material
Piezoelektrik
Elemen piezoelektrik mempunyai beberapa
kelebihan penting dibandingkan mekanisme
sensing yang lain. Pertama dan yang utama adalah fakta bahwa piranti tersebut membangkitkan sendiri tegangannya. Karena itu elemen ini tidak memerlukan daya dari luar untuk operasionalnya. Untuk suatu aplikasi di mana konsumsi daya sangat terbatas, piranti piezoelektrik sangat berguna. Tambahan lagi, efek piezoelektrik memiliki hukum penyekalaan yang menarik sehingga bermanfaat pada piranti yang kecil.
