piezoelectric material

A. KERAMIK
Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi termasuk :
• kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.
• Tahan korosi
• Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor
• Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik
• Keras dan kuat, namun rapuh.
Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik, yakni ikatan ionik dan kovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan. Klasifikasi bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : kristalin dan amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturan jarak dekat maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak pendeknya ada, namun pada jarak jauh keteraturannya tidak ada.
1. Sifat Termal
Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut. Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya. Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Mekanisme penghantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi.
Contoh paling baik penggunaan keramik untuk insulasi panas adalah pada pesawat ruang angkasa. Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660 0C. Ubin menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau di bawah 175 0C, walaupun eksterior pesawat mencapai 1400 0C.

2. Sifat Optik
Bila cahaya mengenai suatu obyek cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, atau dipantulkan. Bahan bervariasi dalam kemampuan untuk mentransmisikan cahaya, dan biasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque. Material yang transparan, seperti gelas, mentransmisikan cahaya dengan difus, seperti gelas terfrosted, disebut bahan translusen. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.
Dua mekanisme penting interaksi cahaya dengan partikel dalam padatan adalah polarisasi elektronik dan transisi elektron antar tingkat energi. Polarisasi adalah distorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya. Sebagai akibat polarisasi, sebagian energi dikonversikan menjadi deformasi elastik (fonon), dan selanjutnya panas.
Seperti dalam atom elektron-elektron dalam bahan berada dalam tingkat-tingkat energi tertentu. Absorbsi energi menghasilkan perpindahan elektron dari tingkat dasar ke tingkat tereksitasi. Ketika elektron kembali ke keadaan dasar disertai dengan pemancaran radiasi elektromagnetik. Dalam padatan elektron yang energinya tertinggi ada dalam orbital-orbital dalam pita valensi dan orbital-orbital yang tidak terisi biasanya dalam pita konduksi. Gap antara pita valensi dan pita konduksi disebut gap energi. Bila range energi cahaya tampak 1,8 sampai 3,1 eV. Bahan dengan gap energi di daerah ini akan mengabsorbsi energi yang berhubungan. Bahan itu akan tampak transparan dan berwarna. Contohnya, gap energi CdS sekitar 2,4 eV dan mengabsorbsi komponen cahaya biru dan violet dari sinar tampak. Tampak bahan tersebut berwarna kuning-oranye. Bahan dengan gap energi kurang dari 1,8 eV akan opaque, sebab semua cahaya tampak akan diabsorbsi. Material dengan gap energi lebih besar 3,1 eV tidak akan menyerap range sinar tampak dan akan tampak transparan dan tak berwarna. Cahaya yang diemisikan dari transisi elektron dalam padatan disebut luminesensi. Bila terjadi dalam selang waktu yang pendek disebut flouresensi, bila didalam selang waktu yang lebih panjang disebut fosforisensi. Hamburan cahaya internal dalam bahan yang sebenarnya transparan mungkin dapat mengakibatkan bahan menjadi translusen atau opaque.
Banyak aplikasi memanfaatkan sifat optik bahan keramik ini. Transparansi gelas membuatnya bermanfaat untuk jendela, lensa, filter, alat masak, alat lab, dan objek-objek seni. Pengubahan antara cahaya dan listrik adalah dasar penggunaan bahan semikonduktor seperti GaAs dalam laser dan meluasnya penggunaan LED dalam alat-alat elektronik. Keramik fluoresensi dan fosforisensi digunakan dalam lampu-lampu listrik dan layar-layar tv. Akhirnya serat optik mentransmisikan percakapan telepon dan data komputer yang didasarkan atas refleksi internal total sinyal cahaya.

B. Material Piezoelektrik
1. Piezoelektrivitas
Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pda permukaan segmen tersebut. Sumber fenomena ini adalah adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton.
2. Awal mula Bahan 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. Mereka mengombinasikan pengetahuan mereka 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. Keduanya kemudian mendemonstrasikan efek piezoelektrik pertama dengan menggunakan 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.
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.


3. 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 (efek piezoelektrik

4. Karakteristik Material Piezoelektrik
Material Piezoelektrik adalah keramik yang terpolarisasi, seperti material quartz (SiO2) atau barium titanate (BaTiO3) yang akan menghasilkan medan listrik material berubah dimensinya akibat gaya mekanik. Keramik yang terpolarisasi disini yaitu beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative dengan elektroda-elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan. 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)
Barium titanate dan zirconate titanate merupakan material piezoelektrik buatan manusia. Di alam ada banyak material alami yang dapat memberikan efek piezoelektrik, seperti berlinite, kuarsa, turmalin, dan garam rossel. Material jenis ini antara lain yaitu lapisan tipis rhombohedral lead zirconium titanate (PZT) sebagai actuator untuk MEMS, lapisan tipis aluminium nitride (AIN) sebagai filterfr atau resonantor (orde GHZ) berbasis efek surface acoustic wave (SAW), komposit piezoelektrik seperti serbuk keramik PTCa yang didispersikan dalam epoxy digunakan sebagai actuator pembalik (listrik menjadi energy mekanik)

C. Aplikasi material Piezoelektrik
Aplikasi yang selama ini dianggap paling sesuai menggunakan efek piezoelektrik adalah sumber energi bertegangan tinggi, sensor, dan motor piezoelektrik.
Ke depannya penggunaan efek tersebut untuk perangkat elektronik akan lebih bervariasi disebabkan kecenderungan manusia untuk memperkecil segala alat aplikatif agar terkesan lebih efisien. Bahkan, efek itu menjadi pelopor dari penanaman chip ke dalam tubuh manusia karena sumber energi yang dihasilkan harus didapatkan langsung dari gerak dalam tubuh itu sendiri.
Pada tranduser ultrasonik:

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. Fenomena tersebut dikenal dengan efek piezoelektrik.
Bahan piezoelektrik yang digunakan pada transduser ultrasonik mengubah sinyal listrik menjadi getaran mekanik dan mengubah kembali getaran mekanik menjadi energi listrik. Elemen aktif adalah inti dari transduser yang mengubah energi listrik menjadi energi suara dan sebaliknya. Elemen aktif pada transduser ultrasonik biasanya adalah sebuah material terpolarisasi yaitu material piezoelektrik.
D. Kelemahan dan Kekurangan material Piezoelektrik
Adapun kelemahannya adalah 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. 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 samapi 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.
Meskipun demikian, elemen piezoelektrik juga 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. 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.