Analisis karakteristik keramik piezoelektrik

 efek piezoelektrik dan efek dielektrik keramik piezoelektrik

 

Efek piezoelektrik adalah ketika beberapa dielektrik dideformasi oleh gaya luar dalam arah tertentu, terjadi polarisasi di dalam, dan muatan positif dan negatif yang berlawanan muncul pada dua permukaan berlawanannya. Ketika gaya eksternal dihilangkan, ia akan kembali ke keadaan tidak bermuatan. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik positif. Ketika arah gaya berubah, polaritas muatan juga berubah. Sebaliknya, bila medan listrik diterapkan pada arah polarisasi dielektrik, dielektrik tersebut juga mengalami deformasi, dan deformasi dielektrik tersebut hilang setelah medan listrik dihilangkan. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik terbalik atau elektrostriksi. Salah satu jenis sensor yang dikembangkan berdasarkan efek piezoelektrik dielektrik disebut sensor kristal piezoelektrik.

 

 

Setiap medium yang berada dalam medan listrik akan menyebabkan deformasi medium akibat efek polarisasi induksi, dan deformasi ini berbeda dengan deformasi yang disebabkan oleh efek piezoelektrik terbalik. Dielektrik dapat berubah bentuk secara elastis oleh gaya eksternal, sensor ketukan keramik piezoelektrik dapat berubah bentuk karena polarisasi medan listrik eksternal. Deformasi akibat polarisasi yang diinduksi sebanding dengan kuadrat medan listrik eksternal, yang merupakan efek elektrostriktif. Deformasi yang dihasilkannya tidak bergantung pada arah medan listrik luar. Deformasi yang disebabkan oleh efek piezoelektrik terbalik sebanding dengan medan listrik luar, dan ketika medan listrik dibalik, deformasi juga berubah (misalnya, perpanjangan awal dapat diperpendek, atau pemendekan awal dapat diubah menjadi perpanjangan). Selain itu, efek elektrostriktif terdapat pada semua dielektrik, baik non-piezoelektrik atau piezoelektrik, hanya efek elektrostriktif dari kristal dielektrik dengan struktur berbeda. Efek piezoelektrik terbalik hanya terdapat pada kristal keramik piezoelektrik.

 

Kristal keramik piezo bahan PZT yang menghasilkan efek piezoelektrik disebut kristal piezoelektrik. Salah satu jenis kristal piezoelektrik adalah kristal tunggal seperti kuarsa (SiO2), natrium kalium tartrat (disebut juga garam Loser, NaKC4H4O6.H2O), bismut ruthenate (Bi12GeO20). Jenis kristal piezoelektrik lainnya disebut pada keramik piezoelektrik, seperti barium titanat (BaTiO3), timbal zirkonat titanat Pb(ZrxTirx)O3, timbal bismut magnesium zirkonat titanat buatan Jepang, ditambah PZT, bismut mangan buatan China. Timbal zirkonat titanat Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 ditambahkan ke dalam PIT.

 

Dielektrik merupakan isolator yang dapat di elektrodeisasi. Penggunaan dielektrik cukup luas. Konduktivitas dielektrik elemen keramik piezoelektrik sangat rendah, ditambah dengan sifat kekuatan dielektrik yang baik, sehingga dapat digunakan untuk membuat isolator listrik. Selain itu, dielektrik dapat mengalami pengendapan listrik yang tinggi dan merupakan bahan kapasitor yang sangat baik. Studi tentang sifat dielektrik melibatkan penyimpanan dan disipasi energi listrik dan magnet di dalam material. Kajian ini sangat penting untuk menjelaskan berbagai fenomena elektronika, optik, dan fisika benda padat. Sifat dielektrik mengacu pada sifat penyimpanan dan hilangnya energi elektrostatis akibat aksi medan listrik, biasanya dinyatakan dengan konstanta dielektrik dan rugi-rugi dielektrik. Ketika teknologi frekuensi tinggi diterapkan pada material, seperti lantai komposit kayu solid, sifat dielektrik sangat penting ketika pengepresan panas frekuensi tinggi digunakan. Ketika media diterapkan dengan medan listrik, muatan induksi dihasilkan untuk melemahkan medan listrik. Rasio medan listrik awal yang diterapkan (dalam ruang hampa) dengan medan listrik pada medium akhir disebut permitivitas, yang juga dikenal sebagai laju arus induksi.

 

Dalam elektromagnetisme, ketika medan listrik dari cakram tombol piezoelektrik diterapkan pada dielektrik, dipol listrik dihasilkan karena perpindahan relatif muatan positif dan negatif di dalam dielektrik. Fenomena ini disebut polarisasi listrik. Medan listrik yang diterapkan dapat berupa medan listrik luar atau medan listrik yang dihasilkan oleh muatan bebas yang tertanam di dalam dielektrik. Dipol listrik yang dihasilkan oleh polarisasi disebut “dipol listrik induktif”, dan momen dipol listriknya disebut momen dipol listrik induktif. Keramik piezo memiliki kemampuan pembentukan elektroda di bawah pengaruh medan listrik. Dibagi menjadi isolasi listrik, kapasitor, piezoelektrik, piroelektrik dan keramik feroelektrik sesuai dengan penggunaan dan kinerjanya.

Polarisasi dielektrik keramik piezoelektrik

 

Kristal keramik piezoelektrik merupakan dielektrik dielektrik dan anisotropik, sehingga sifat dielektrik kristal piezoelektrik berbeda dengan dielektrik isotropik.

Dielektrik terpolarisasi di bawah aksi medan listrik, dan keadaan polarisasi adalah keadaan di mana medan listrik memberikan gaya perpindahan relatif pada titik muatan dielektrik dan keseimbangan sementara saling tarik-menarik antar muatan. Medan listrik adalah penyebab eksternal polarisasi. Penyebab internal polarisasi terletak pada bagian dalam medium. Dengan proses mikroskopis di dalam medium, ada tiga mekanisme utama polarisasi.

 

(1) Sebuah atom atau ion yang merupakan dielektrik. Di bawah pengaruh medan listrik, inti bermuatan positif tidak bertepatan dengan pusat negatif elektron kulitnya, sehingga menghasilkan momen dipol listrik. Polarisasi ini disebut polarisasi perpindahan elektron.

(2) Ion positif dan negatif yang menyusun dielektrik mengalami perpindahan relatif akibat aksi medan listrik, menghasilkan momen dipol listrik yang disebut polarisasi perpindahan ion.

(3) Molekul penyusun dielektrik merupakan molekul polar dengan momen listrik intrinsik tertentu, namun akibat gerak termal maka orientasinya menjadi tidak teratur, dan momen listrik total seluruh dielektrik adalah nol. Ketika medan listrik luar bekerja, momen dipol listrik ini akan sejajar sepanjang medan luar, kristal piezoelektrik ultrasonik menghasilkan momen dipol listrik makroskopis dalam dielektrik, yang disebut polarisasi orientasi.

 

1. Polarisasi perpindahan molekul tak terhingga

 

Ketika dielektrik tanpa elektroda berada dalam medan listrik eksternal di bawah aksi gaya medan listrik, pusat muatan positif dan negatif molekul akan menghasilkan perpindahan relatif untuk membentuk dipol listrik, dan momen dipol listrik ekuivalennya P berorientasi sepanjang arah medan listrik. Untuk piezoelektrik dielektrik secara keseluruhan, karena setiap molekul dalam dielektrik membentuk dipol listrik, maka mereka tersusun dalam dielektrik. Muatan positif dan negatif dipol listrik yang berdekatan dalam dielektrik berdekatan satu sama lain. Jika dielektriknya seragam, maka seluruh dielektriknya tetap netral, tetapi pada permukaan dielektrik yang tegak lurus terhadap kuat medan listrik luar E0. Akan ada muatan positif dan negatif yang masing-masing tidak dapat meninggalkan dielektrik dan tidak dapat bergerak bebas di dalam dielektrik. Fenomena muatan terpolarisasi dalam dielektrik akibat aksi medan listrik luar disebut polarisasi dielektrik. Semakin kuat medan listrik luar, semakin besar perpindahan relatif antara pusat muatan positif dan negatif masing-masing molekul, semakin besar momen dipol listrik molekul tersebut, semakin banyak muatan terpolarisasi yang muncul pada kedua permukaan dielektrik, dan semakin tinggi terpolarisasinya. Ketika medan listrik eksternal transduser piezoelektrik frekuensi resonansi dihilangkan, pusat muatan positif dan negatif kembali berhimpitan (P = 0), sehingga molekul jenis ini dapat dianggap sebagai dipol listrik elastis yang gaya elastisnya dihubungkan oleh dua muatan listrik ekivalen yang setara. Besarnya momen dipol listrik P sebanding dengan kuat medan. Karena polarisasi molekul tak terhingga terletak pada perpindahan relatif pusat muatan positif dan negatif, maka sering disebut bit.

 

Polarisasi berorientasi molekul polar

 

Sedangkan untuk dielektrik molekul polar, pusat muatan positif dan negatif dalam molekul setara dengan dipol listrik. Di bawah aksi medan listrik luar, molekul akan dikenai momen, sehingga momen dipol listrik P molekul diputar ke arah medan listrik. Karena adanya interferensi gerakan termal molekul, kendali ini sangat kecil, dan tidak mungkin untuk menyelaraskan momen dipol listrik semua molekul sepanjang arah medan listrik. Semakin kuat medan listrik eksternal keramik piezoelektrik elektroda piezoelektrik, semakin rapi urutan kemudi momen dipol listrik molekul. Pada tingkat makroskopis, semakin banyak muatan terpolarisasi yang muncul pada kedua permukaan yang tegak lurus terhadap dielektrik dan medan listrik luar, semakin tinggi derajat polarisasinya. Ketika medan listrik luar dihilangkan, arah momen dipol listrik molekul menjadi tidak teratur akibat gerakan termal molekul, dan dielektrik masih netral. Polarisasi molekul polar terletak pada arah perubahan dipol listrik ekivalen terhadap medan listrik luar, sehingga disebut polarisasi orientasi. Secara umum, meskipun molekul terpolarisasi pada saat yang sama, terdapat juga polarisasi perpindahan. Meskipun proses polarisasi mikroskopis kedua jenis dielektrik berbeda, polarnya berbeda, tetapi efek makroskopisnya sama. Muatan terpolarisasi dengan jumlah berbeda sensor pelat piezoelektrik muncul pada dua permukaan dielektrik yang berlawanan, dan medan listrik eksternal meningkat. semakin banyak muatan terpolarisasi yang muncul. Oleh karena itu, jika fenomena polarisasi dielektrik dijelaskan secara makroskopis di bawah ini, tidak perlu dibahas lagi dua macam dielektrik tersebut.

3. Ferroelektrik kristal keramik piezoelektrik

 

Polarisasi beberapa dielektrik sangatlah istimewa. Dalam kisaran suhu tertentu, konstanta dielektriknya tidak konstan, tetapi bervariasi menurut kekuatan medan, dan setelah medan listrik luar dihilangkan, dielektrik tersebut tidak netral. Ada sisa polarisasi. Agar dapat dianalogikan dengan fakta bahwa bahan feromagnetik dapat tetap termagnetisasi, sifat transduser keramik piezo ini sering disebut sebagai feroelektrik. Dielektrik feroelektrik disebut feroelektrik. Diantaranya, keramik barium titanat (BaTiO3), kristal tunggal natrium kalium tartrat (NaKC4H4O6⋅H2O) dan sejenisnya adalah yang paling menonjol. Ferroelektrik akan menunjukkan histeresis selama proses elektrodeposisi. Loop histeresis menunjukkan bahwa polarisasi antara benda feroelektrik dan medan listrik yang diterapkan adalah nonlinier, dan polarisasi dibalik ketika medan listrik eksternal dibalik. Inversi polarisasi merupakan hasil inversi domain, sehingga loop histeresis menunjukkan adanya domain pada feroelektrik. Yang disebut domain adalah wilayah kecil di mana arah polarisasi spontan dalam feroelektrik adalah seragam, dan domain. Batas antara keduanya disebut dinding domain. Kristal feroelektrik produk keramik piezoelektrik biasanya multidomain, polarisasi spontan pada setiap domain mempunyai arah yang sama, dan polarisasi spontan pada domain yang berbeda kuat.

 

Untuk feroelektrik polikristalin, tidak ada keteraturan antara orientasi relatif polarisasi spontan dalam domain yang berbeda untuk seluruh polikristal karena kesewenang-wenangan orientasi sumbu kristal antar butiran.

Feroelektrik umumnya tidak secara spontan membentuk domain tunggal, namun kristal multidomain dapat dimonodomain di bawah medan listrik eksternal yang kuat. Di bawah pengaruh medan listrik eksternal yang kuat, volume domain polarisasi spontan dalam kristal multi-domain yang sejajar atau dekat dengan arah medan eksternal akan berkembang pesat karena pembentukan inti domain baru dan pergerakan dinding domain, dan volume domain di arah lain akan berkurang dengan cepat. Kecil menghilang, yang mengubah seluruh kristal menjadi satu domain. Di bawah pengaruh medan listrik eksternal, proses dinamis inti domain baru dan pergerakan dinding domain disebut proses pembalikan domain. Pembalikan ini memiliki beberapa karakteristik histeresis, sehingga feroelektrik menunjukkan loop histeresis yang disebutkan di atas.

 

Mengingat kristal piezo tunggal mengasumsikan bahwa orientasi polarisasi spontan hanya memiliki dua kemungkinan. yaitu positif dan negatif sepanjang sumbu kristal tertentu; arah medan listrik luar sejajar dengan sumbu polarisasi. Ketika medan listrik luar adalah nol, polarisasi domain yang berdekatan dalam kristal adalah berlawanan, dan momen listrik total kristal adalah nol. Ketika medan listrik luar diperbesar secara bertahap, volume domain yang arah polarisasi spontannya berlawanan dengan arah medan listrik akan berangsur-angsur berkurang akibat inversi domain, dan domain-domain tersebut yang searah dengan medan listrik akan berangsur-angsur mengembang, sehingga kristal searah dengan medan luar. Intensitasnya meningkat seiring dengan meningkatnya medan listrik. Ketika medan listrik elemen cakram piezoelektrik meningkat cukup untuk membalikkan semua domain terbalik dalam kristal ke medan luar, kristal menjadi domain tunggal, polarisasi kristal mencapai saturasi, dan kemudian medan listrik meningkat. Polarisasi akan meningkat secara linier dengan medan listrik (sama seperti polarisasi dielektrik pada umumnya) dan mencapai nilai maksimum Pmax, yang merupakan fungsi dari medan listrik polarisasi tertinggi. Ketika bagian linier diekstrapolasi ke medan listrik nol, hasil intersep Ps pada sumbu vertikal disebut polarisasi jenuh, yang sebenarnya merupakan polarisasi spontan setiap domain. Ketika medan listrik mulai berkurang dari C, polarisasi secara bertahap akan menurun sepanjang kurva CB. Ketika medan listrik komponen keramik piezoelektrik dikurangi menjadi nol, polarisasi berkurang hingga nilai tertentu Pr, yang disebut polarisasi sisa feroelektrik. Ketika medan listrik berubah arah dan meningkat menjadi Ec dalam arah negatif, polarisasi berkurang menjadi nol, medan listrik terbalik terus meningkat, dan polarisasi terbalik. Ec disebut kuat medan koersif feroelektrik. Ketika medan listrik terbalik terus meningkat, polarisasi terus meningkat dalam arah gradien negatif dan mencapai nilai saturasi (-Pr) dalam arah negatif, dan transduser piezoelektrik ultrasonik menjadi kristal domain tunggal yang memiliki polarisasi negatif. Jika medan listrik berubah terus menerus dari nilai negatif tinggi ke nilai positif tinggi, domain positif mulai terbentuk dan tumbuh kembali hingga seluruh kristal menjadi kristal domain tunggal dengan polarisasi maju kembali. Selama proses ini, polarisasi dikembalikan ke titik C sepanjang bagian FGH dari garis balik. Jadi, di bawah pengaruh medan listrik bolak-balik yang besar, medan listrik berubah selama satu minggu, dan proses di atas diulangi satu kali, menunjukkan loop histeresis yang ditunjukkan. Daerah yang dibatasi oleh garis balik adalah energi yang diperlukan untuk membalikkan polarisasi dua kali.