PIEZOELEKTRIKOleh:

Ichwan Yelfianhar( dirangkum dari berbagai sumber)

Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saatsebuah gaya yang diterapkan pada suatusegment bahan menimbulkan muatan listrikpada permukaan segmen bahan tersebut yangdisebabkan oleh adanya distribusi muatan listrikpada sel sel kristal. Nilai koefisien muatanpiezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 picocoloumb/Newton.

Piezoelektrisitas

Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezeinyang berarti diperas atau ditekan dan piezoyang bermakna didorong. Bahan piezoelektrikditemukan pertama kali pada tahun 1880‐anoleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezoberarti tekanan, sehingga efek piezoelektrikterjadi jika medan listrik tebentuk ketikamaterial dikenai tekanan mekanik.

Histori Piezoelektrik

Jacques dan Pierre Curie mengombinasikanpengetahuan akan piroelektrisitas (kemampuanbahan‐bahan tertentu untuk menghasilkan sebuahpotensial listrik saat bahan‐bahan itu dipanaskan ataudidinginkan) dengan pemahaman akan struktur danperilaku sebuah kristal pada kristal turmalin, kuarsa,ratna cempaka, dan garam rossel. Dari uji cobatersebut diketahui bahwa kristal kuarsa dan garamrossel memperlihatkan kemampuan piezoelektrisitaspaling besar saat itu.

Histori Piezoelektrik

Efek piezoelektrik terjadi jika medan listriktebentuk ketika material dikenai tekananmekanik. Pada saat medan listrik melewatimaterial, molekul yang terpolarisasi akanmenyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkandipole yang terinduksi dengan molekul ataustruktur kristal materi. Penyesuaian molekulakan mengakibatkan material berubah dimensi.Fenomena tersebut dikenal denganelectrostriction

Efek Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksimedan listrik ketika dikenai regangan atau tekananmekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, makamaterial tersebut akan mengalami regangan atautekanan mekanis. Bahan piezoelektrik alamidiantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalindan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatandiantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconiumtitanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dsb.

Bahan Piezoelektrik

Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yangterpolarisasi sehingga beberapa bagian molekulbermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatannegative membentuk elektroda‐elektroda yangmenempel pada dua sisi yang berlawanan danmenghasilkan medan listrik material yang dapatberubah akibat gaya mekanik. Pada saat medan listrikmelewati material, molekul yang terpolarisasi akanmenyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipoleyang terinduksi dengan molekul atau struktur kristalmateri. Penyesuaian molekul akan mengakibatkanmaterial berubah dimensi. Fenomena ini disebutelectrostriction (efek piezoelektrik).

Karakteristik Bahan 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 PiezoelektrikFenomena 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.

Persamaan Matematis Piezoelektrisitas

These may be combined into so‐called coupled equations, ofwhich 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. Thesuperscript E indicates a zero, or constant, electric field; thesuperscript T indicates a zero, or constant, stress field; andthe superscript t stands for transposition of a matrix.

The strain‐charge for a material of the 4mm (C4v) crystal class (such as apoled piezoelectric ceramic such as tetragonal PZT or BaTiO3) as well asthe 6mm crystal class may also be written as (ANSI IEEE 176):

where the first equation represents the relationship for the conversepiezoelectric 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 Eare vectors, that is, Cartesian tensor of rank‐1; and permittivity ε isCartesian tensor of rank 2. Strain and stress are, in principle, alsorank‐2 tensors. But conventionally, because strain and stress are allsymmetric 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 inliterature. Say, some use 12→ 4; 23→ 5; 31→ 6 instead.) That is whyS and T appear to have the "vector form" of 6 components.Consequently, s appears to be a 6 by 6 matrix instead of rank‐4tensor. Such a re‐labeled notation is often called Voigt notation.

In total, there are 4 piezoelectric coefficients, dij, eij, gij, and hijdefined as follows:

where the first set of 4 terms correspond to the directpiezoelectric effect and the second set of 4 termscorrespond to the converse piezoelectric effect [9]. Aformalism has been worked out for those piezoelectriccrystals, for which the polarization is of the crystal‐fieldinduced type, that allows for the calculation ofpiezoelectrical coefficients dij from electrostatic latticeconstants or higher‐order Madelung constants [5].

1. Penghasil listrik tegangan tinggi

Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda potensialhingga ribuan volt sehingga banyak digunakan sebagaisumber tegangan tinggi. Salah alat yang bekerja denganprinsip ini antara lain:Electric cigarette lighter: pressing the button causes a spring‐loaded hammer to hit a piezoelectric crystal, producing asufficiently high voltage electric current that flows across asmall spark gap, thus heating and igniting the gas. Theportable sparkers used to light gas grills or stoves work thesame way, and many types of gas burners now have built‐inpiezo‐based ignition systems

2. Transduser

Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik

Transduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energikedalam bentuk energi yang lain. Transduser ultrasonikmengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dalambentuk suara dan sebaliknya. Transduser akan mengeluarkangelombang ultrasonik dengan frekuensi di atas 20 kHz.Transduser ultrasonik 40 kHz akan membangkitkangelombang dengan frekuensi 40 kHz, transduser akan aktifjika diberi sinyal dengan frekuensi dengan 40 kHz. Transduserultrasonik terdiri atas dua macam yaitu pengirim (transmitter)Tx dan penerima (receiver) Rx. Transduser ultrasonik terbuatdari material piezoeletrik, yaitu terbuat dari material quartz(SiO3) atau barium titanat (BaTiO3) yang akan menghasilkanmedan listrik pada saat material berubah bentuk ataudimensinya sebagai akibat gaya mekanik.

Beberapa transduser yang bekerja menggunakan bahanpiezo elektrik antara lain: Piezoelectric elements are also used in the detectionand generation of sonar waves.

Power monitoring in high power applications (e.g.medical treatment, sonochemistry and industrialprocessing).

Piezoelectric microbalances are used as very sensitivechemical and biological sensors.

Piezos are sometimes used in strain gauges. Piezoelectric transducers are used in electronic drumpads to detect the impact of the drummer's sticks.

Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik

Pemanfaatan Bahan PiezoelektrikPada Sistem Sonar

Piezoelektrik bukanlah suatu dielektrik yang bagus.Ada sedikit kebocoran muatan pada materialpiezoelektrik. Karena fenomena ini, ada suatukonstanta waktu penyimpanan tegangan padapiezoelektrik setelah diberikan suatu gaya.Konstanta waktu ini tergantung pada kapasitansielemennya dan pada resistansi kebocorannya.Konstanta waktunya berada pada orde 1 detik.Karena efek ini, piezoelektrik kurang bermanfaatuntuk mendeteksi besaran static seperti berat suatubenda.

Kelemahan dan Kekurangan materialPiezoelektrik

Aspek penting lainnya dalam penggunaanpiezoelektrik adalah adanya kenyataan bahwamaterial piezoelektrik dibuat melalui proseskristalisasi kisi‐kisi (laticce) dalam susunan tertentu.Hal tersebut dilakukan dengan memanskan kristalsampai diatas suhu Curie sambil menerapkantegangan pada elektrodanya. Jika kristal telahdipanaskan mendekati suhu Curie, material tersebutdapat menjadi “ de pole “ yang dapat menghasilkanpengurangan sensitifitas piezoelektrik. Untukberagam material, suhu curie ini berada antara 50 –600 ° C. Pemanasan dibawah suhu Curie dapatmembatasi penggunaan sensor ini.

Kelemahan dan Kekurangan materialPiezoelektrik

Kekurangan utama sensing piezoelektrik iniadalah sensitifitasnya hanya bagus untuk sinyalyang berubah‐ubah terhadap waktu. Sensingpiezoelektrik tidak dapat beoperasi untukaplikasi‐aplikasi yang membutuhkan sensitifitasterhadap besaran statik. Meskipun demikian,jika ada sinyal yang berubah terhadap waktu,perlu adanya pemikiran yang serius padapenggunaan elemen sensing piezoelectric.

Kelemahan dan Kekurangan materialPiezoelektrik

Elemen piezoelektrik mempunyai beberapakelebihan penting dibandingkan mekanismesensing yang lain. Pertama dan yang utama adalahfakta bahwa piranti tersebut membangkitkansendiri tegangannya. Karena itu elemen ini tidakmemerlukan daya dari luar untuk operasionalnya.Untuk suatu aplikasi di mana konsumsi daya sangatterbatas, piranti piezoelektrik sangat berguna.Tambahan lagi, efek piezoelektrik memiliki hukumpenyekalaan yang menarik sehingga bermanfaatpada piranti yang kecil.

Kelebihan Material Piezoelektrik