PIEZOELEKTRIK Oleh: Ichwan Yelfianhar

PIEZOELEKTRIK
Oleh:
Ichwan Yelfianhar
( dirangkum dari berbagai sumber)
Piezoelektrisitas
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.
Histori Piezoelektrik
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.
Histori Piezoelektrik
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
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
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.
Karakteristik Bahan Piezoelektrik
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).
Karakteristik Bahan Piezoelektrik
Fenomena efek piezoelektrik dapat digambarkan sebagai berikut:
(A)
(B)
(C)
(D)
Sebelum diberi tekanan atau medan listrik. Ketika diberi medan listrik, bahan memanjang. Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek. Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar terjadi.
Persamaan Matematis Piezoelektrisitas
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].
Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik
1. Penghasil listrik tegangan tinggi
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
Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik
2. Transduser
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.
Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik
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
Kelemahan dan Kekurangan material
Piezoelektrik
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.
Kelebihan 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.