Pengantar Bahan Piezoelektrik dan Parameter Teknis

Bahan piezoelektrik piezokeramik adalah bahan kristal yang menghasilkan tegangan antara kedua ujungnya ketika tekanan diterapkan. Pada tahun 1880, fisikawan Perancis P. Curie dan J. Curie bersaudara menemukan bahwa ketika sebuah benda berat diletakkan di atas kristal kuarsa, beberapa permukaan kristal akan menghasilkan muatan, dan jumlah muatan sebanding dengan tekanan. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik. Segera setelah itu, Curie bersaudara menemukan efek piezoelektrik terbalik, yaitu benda piezoelektrik berubah bentuk akibat pengaruh medan listrik eksternal. Mekanisme efek piezoelektrik adalah sebagai berikut: kristal dengan piezoelektrik memiliki simetri yang rendah. Ketika dideformasi oleh gaya luar, perpindahan relatif ion positif dan negatif dalam sel satuan membuat pusat muatan positif dan negatif tidak lagi tumpang tindih, sehingga terjadi polarisasi makroskopis kristal, sedangkan Kerapatan permukaan muatan permukaan kristal sama dengan proyeksi intensitas polarisasi pada arah normal permukaan, sehingga ketika bahan piezoelektrik terdeformasi oleh tekanan, akan muncul muatan yang bertanda berlawanan pada kedua ujung bahan piezoelektrik. Sebaliknya, ketika bahan piezoelektrik terpolarisasi dalam medan listrik, bahan tersebut mengalami deformasi akibat perpindahan pusat muatan.

 

Sensor pelat piezoelektrik dapat menghasilkan medan listrik akibat deformasi mekanis, dan juga dapat menghasilkan deformasi mekanis akibat aksi medan listrik. Efek kopling elektromekanis yang melekat ini membuat bahan piezoelektrik banyak digunakan dalam bidang teknik. Misalnya, bahan piezoelektrik telah digunakan untuk membuat struktur cerdas. Selain kemampuan mandiri, struktur tersebut juga memiliki fungsi seperti diagnosis diri, adaptasi diri, dan penyembuhan diri, dan akan memainkan peran penting dalam desain pesawat masa depan.

 

Parameter teknis bahan piezoelektrik:

 

Koefisien piezoelektrik d33

 

Koefisien piezoelektrik adalah koefisien konversi kristal keramik piezoelektrik yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik atau mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, mencerminkan hubungan kopling antara sifat elastis dan sifat dielektrik bahan piezoelektrik

 

Permitivitas bebas ε T33 (permitivitas bebas)

 

Permitivitas dielektrik pada regangan nol (atau konstan), dinyatakan dalam Farad/meter.

 

Permitivitas relatif ε Tr3 (permitivitas relatif)

 

Perbandingan konstanta dielektrik ε T33 dengan konstanta dielektrik vakum ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, merupakan besaran fisika tak berdimensi.

 

Kerugian dielektrik (kerugian dielektrik)

 

Dielektrik adalah energi yang hilang dalam dielektrik akibat proses relaksasi polarisasi listrik dan konduksi kebocoran akibat aksi medan listrik.

 

Garis singgung sudut rugi tg δ (tangen sudut rugi)

 

Di bawah aksi medan listrik bolak-balik sinusoidal, arus yang mengalir dalam dielektrik ideal adalah 90 0 lebih cepat dari fasa tegangan, tetapi pada sampel keramik piezoelektrik, karena kehilangan energi, sudut fasa ψ dari kabel arus kurang dari 900, dan sudut komplementernya δ ( δ + ψ =900) disebut sudut rugi-rugi, yang merupakan besaran fisis tak berdimensi. Orang biasanya menggunakan tangen rugi-rugi tg δ untuk menyatakan besarnya rugi-rugi dielektrik, yang menyatakan rasio daya aktif (daya rugi) P dielektrik terhadap daya reaktif Q. Yaitu: faktor kualitas listrik Qe (faktor kualitas listrik)

 

Nilai faktor kualitas listrik sama dengan kebalikan dari nilai tangen rugi sampel yang dinyatakan dengan Qe yang merupakan besaran fisis tak berdimensi. Jika rangkaian ekivalen paralel digunakan untuk merepresentasikan sampel keramik piezoelektrik dalam medan listrik bolak-balik, maka Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Faktor kualitas mekanis Qm (faktor kualitas mekanis)

 

Rasio energi mekanik yang disimpan oleh vibrator pelat piezoelektrik yang beresonansi dengan energi mekanik yang hilang dalam satu siklus disebut faktor kualitas mekanik. Hubungan antara itu dan parameter osilator adalah: Rasio Poissons

 

Rasio Poisson mengacu pada rasio penyusutan relatif lateral dan pemanjangan relatif longitudinal suatu benda padat di bawah tekanan, dan merupakan kuantitas fisik tak berdimensi yang dinyatakan dengan δ : δ = - S 12 /S11

 

Frekuensi resonansi seri fs (frekuensi resonansi seri)

 

Frekuensi resonansi cabang seri pada rangkaian ekivalen vibrator piezoelektrik disebut frekuensi resonansi seri, dinyatakan dengan fs,

Frekuensi resonansi paralel fp (frekuensi resonansi paralel)

 

Frekuensi resonansi cabang paralel pada rangkaian ekivalen vibrator piezoelektrik disebut frekuensi resonansi paralel yang diwakili oleh fp, yaitu fp = frekuensi resonansi fr (frekuensi resonansi)

 

Frekuensi yang lebih rendah dari sepasang frekuensi yang membuat kerentanan vibrator piezoelektrik menjadi nol disebut frekuensi resonansi, yang diwakili oleh fr .

 

Frekuensi antiresonansi fa (frekuensi antiresonansi)

 

Frekuensi yang lebih tinggi dari sepasang frekuensi yang membuat kerentanan vibrator piezoelektrik menjadi nol disebut frekuensi anti-resonansi, yang dinyatakan dengan fa.

 

Frekuensi masuk maksimum fm (frekuensi masuk maksimum)

 

Frekuensi ketika masuknya vibrator piezoelektrik besar disebut frekuensi masuk besar. Pada saat ini impedansi vibrator kecil, sehingga disebut juga frekuensi impedansi kecil yang dinyatakan dengan f m.

 

Frekuensi masuk kecil fn (frekuensi masuk minimum)

 

Frekuensi di mana masuknya vibrator piezoelektrik kecil disebut frekuensi masuk kecil. Pada saat ini impedansi vibratornya besar, sehingga disebut juga frekuensi impedansi besar yang dinyatakan dengan f n.

 

frekuensi dasar

 

Frekuensi resonansi rendah dalam mode getaran tertentu disebut frekuensi pitch, dan biasanya menjadi frekuensi fundamental.

 

Frekuensi nada atas (frekuensi fundamental)

 

Frekuensi resonansi selain frekuensi dasar dalam mode getaran tertentu disebut frekuensi nada tambahan.

 

stabilitas suhu

 

Stabilitas suhu mengacu pada karakteristik kinerja keramik piezoelektrik yang berubah seiring suhu.

 

Pada suhu tertentu, ketika suhu berubah sebesar 1 ° C, perbandingan perubahan numerik frekuensi tertentu dengan nilai numerik frekuensi pada suhu tersebut disebut koefisien suhu frekuensi TKf.

 

Selain itu, penyimpangan relatif yang besar biasanya digunakan untuk mengkarakterisasi stabilitas suhu suatu parameter tertentu.

 

Pergeseran frekuensi relatif pada suhu positif= △ fs (suhu positif besar)/fs(25 ℃ )

 

Pergeseran frekuensi relatif besar pada suhu negatif= △ fs (suhu negatif besar)/fs(25 ℃ )

 

Koefisien kopling elektromekanis (KOEFISIEN KOUPLING MEKANIK ELEKTRO)

 

Koefisien kopling elektromekanis K adalah akar kuadrat dari rasio kuadrat kerapatan energi interaksi elastis-dielektrik V122 dengan produk kerapatan energi elastis yang tersimpan V1 dan kerapatan energi dielektrik V2.

 

Keramik piezoelektrik umumnya menggunakan lima koefisien kopling dasar berikut

 

A. Koefisien kopling elektromekanis bidang KP (mencerminkan polarisasi dan eksitasi listrik dari cakram tipis sepanjang arah ketebalan, dan merupakan parameter efek kopling elektromekanis selama getaran regangan radial.)

 

B. Koefisien kopling elektromekanis melintang K31 (parameter yang mencerminkan efek kopling elektromekanis dari strip ramping sepanjang polarisasi arah ketebalan dan eksitasi listrik untuk getaran regangan panjang.)

 

C. Koefisien kopling elektromekanis memanjang K33 (parameter yang mencerminkan efek kopling elektromekanis dari batang tipis sepanjang arah polarisasi dan eksitasi listrik untuk getaran regangan panjang.)

 

D. Koefisien kopling elektromekanis KT dari regangan ketebalan

 

E. Koefisien kopling elektromekanis geser tebal K15 (mencerminkan polarisasi pelat persegi panjang sepanjang arah panjang, arah medan listrik eksitasi tegak lurus terhadap arah polarisasi, dan digunakan sebagai parameter efek kopling elektromekanis selama getaran geser ketebalan.)

 

Konstanta regangan piezoelektrik D (Konstanta regangan piezoelektrik)

 

Konstanta regangan piezoelektrik adalah perbandingan perubahan komponen regangan SI dengan perubahan EI yang disebabkan oleh perubahan komponen medan listrik E dengan syarat tegangan T dan komponen medan listrik EM (M ≠ I) konstan.

 

Konstanta tegangan piezoelektrik G ( KONSTAN TEGANGAN PIEZOELEKTRIK )

 

Konstanta adalah perbandingan perubahan komponen intensitas medan listrik EI akibat perubahan komponen tegangan TI terhadap perubahan TI dengan syarat perpindahan listrik D dan komponen tegangan TN (N ≠ I) sama-sama tetap.

 

Suhu Curie TC (Suhu Curie)

 

Keramik piezoelektrik hanya mempunyai efek piezoelektrik dalam rentang temperatur tertentu. Ini memiliki suhu kritis TC. Ketika suhu lebih tinggi dari TC, keramik piezoelektrik mengalami transisi fase struktural. Suhu kritis TC ini disebut suhu Curie.

 

Stabilitas suhu (STABILITAS SUHU)

 

Mengacu pada karakteristik kinerja transduser keramik piezoelektrik yang berubah seiring suhu. Secara umum, ada dua metode untuk menggambarkan stabilitas suhu: koefisien suhu atau penyimpangan relatif besar.

 

Sepuluh kali tingkat penuaan (AGEING RATE PER DECADE) Y mewakili parameter tertentu

 

Konstanta frekuensi (FREKUENSI KONSTAN)

 

Untuk mode getaran regangan panjang radial dan transversal, konstanta frekuensi adalah hasil kali frekuensi resonansi seri dan dimensi elemen (diameter atau panjang) yang menentukan frekuensi ini. Untuk mode getaran geser memanjang dan tebal memanjang, konstanta frekuensi adalah hasil kali frekuensi resonansi paralel dan ukuran vibrator (panjang atau ketebalan) yang menentukan frekuensi ini, dan satuannya: HZ.M