Pengertian Sensor Piezoelektrik

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.

Gambar 1. Simbol dan bentuk fisik 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.

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 , dan garam rossel. Dari uji coba tersebut diketahui bahwa kristal kuarsa dan garam rossel memperlihatkan kemampuan piezoelektrisitas paling besar saat itu.

Gambar 2. Struktur Piezoelektrik

Piezoelektrik adalah tumpukan muatan dalam materi padat (kristal atau keramik) tertentu dalam menanggapi regangan mekanik yang dikenakan. Kata piezoelektrik yang berarti memeras atau tekan, dan elektrik yang berarti listrik atau electron. Kata piezoelektrik berarti listrik yang dihasilkan dari tekanan. Sumber muatan listrik piezoelektrik merupakan akibat dari efek piezoelektrik.

Prinsip Kerja Piezoelektrik

Gambar 3. Prinsip kerja piezoelektrik

prinsip kerja piezoelektrik adalah ketika Kristal yang berbahan dielektrik diberikan tekanan, maka akan terbentuk medan listrik. Ketika medan listrik melewati bagian material, molekul yang dipolarisasi akan segera menyesuaikan dengan medan listrik, menghasilkan dipole yang ter-induksi molekul dan struktur kristal. Penyesuaian molekul akan merubah material dimensi. Inilah yang disebut efek piezoelektrik.

Gaya listrik yang dihasilkan medan listrik dari suatu muatan dan usaha gerak mekanis adalah gaya kekal. Karena energi potensial listrik sifatnya berbanding lurus dengan tegangan, maka akan timbul tegangan ketika bahan dielektriknya ditekan.

Karakteristik 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.

Gambar 4. Bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik ada dua yakni yang terbuat dari bahan alami dan buatan.

Bahan Piezoelektrik Alam

Kuarsa, garam Rochelle, tourmaline
Sangat stabil
Sensitivitas rendah

Bahan Piezoelektrik Buatan

Barium titanate, lead circonate titanate, lead metaniobate
Sensitivitas tinggi
Kurang stabil

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 kristalmateri. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).

Gambar 5. Karakteristik Piezoelektrik

Keterangan gambar:

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

Efek piezoelektrik adalah kemampuan dari suatu material untuk bergetar ketika diberikan tegangan pada material tersebut dan sebaliknya, apabila material tersebut diberi tekanan maka material tersebut akan menghasilkan tegangan. Efek piezoelektrik terjadi jika material diberi aliran listrik maka material tersebut akan bergetar, dan sebaliknya bila diberi tekanan akan menghasilkan listrik. 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. Efek piezoelektrik dapat digambarkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Efek Piezoelektrik

Terdapat dua efek piezoelektrik, atara lain:

a. Efek piezoelektrik langsung

Bila pelat piezoelektrik diberi tekanan, maka akan timbul muatan listrik pada kedua permukaannya
Pelat juga merupakan kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu, timbul beda tegangan

b. Efek piezoelektrik balik

Bila pelat piezoelektrik diberi tegangan listrik, maka kedua permukaannya mendapat tekanan
Pelat juga merupakan bahan elastik dengan konstanta elastik tertentu, tebalnya akan berubah

Abdurrahman Rasyid, S.Pd.

Lulusan Teknik Elektro yang hobi ngoprek komputer, gadget, dan traveling

Pengertian Sensor Piezoelektrik