Efek piezoelektrik dari keramik piezoelektrik

Ketika keramik piezoelektrik terpolarisasi, terdapat polarisasi medan sisa yang kuat di dalam bahan keramik. Ketika material keramik terkena gaya luar, batas domain bergerak menyebabkan perubahan intensitas polarisasi dan menghasilkan efek piezoelektrik.

 Keramik piezoelektrik terpolarisasi memiliki koefisien piezoelektrik yang sangat tinggi, yaitu sekitar beberapa ratus kali lipat dari kristal kuarsa, tetapi kekuatan mekaniknya lebih rendah daripada kristal kuarsa.

Transduser pelat piezokeramik adalah zat seperti feroelektrik, dan merupakan bahan piezoelektrik polikristalin yang dibuat secara artifisial yang memiliki struktur domain mirip dengan struktur domain magnetik bahan feromagnetik. Domain adalah wilayah tempat suatu molekul terbentuk secara spontan. Ia mempunyai arah polarisasi tertentu, sehingga timbul medan listrik tertentu. Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, masing-masing domain terdistribusi secara acak pada kristal, dan efek polarisasinya saling menghilangkan, sehingga keramik piezoelektrik asli tidak memiliki polarisasi internal.

Namun, ketika voltmeter dihubungkan ke dua elektroda lembaran keramik untuk pengukuran, polarisasi yang ada di dalam lembaran keramik tidak dapat diukur. Hal ini dikarenakan polarisasi pada lembaran piezokeramik selalu dinyatakan dalam bentuk momen dipol listrik, yaitu muatan terikat positif terjadi pada salah satu ujung keramik dan muatan terikat negatif terjadi pada ujung lainnya. Karena aksi muatan terikat, muatan dari luar teradsorpsi pada permukaan elektroda lembaran keramik. Muatan bebas ini sama dengan tanda muatan terikat pada lembaran keramik, yang berfungsi melindungi dan menangkal efek polarisasi dalam lembaran keramik terhadap dunia luar. Oleh karena itu, voltmeter tidak dapat mengukur derajat polarisasi pada lembaran keramik.

Jika tekanan F sejajar arah polarisasi diberikan pada lembaran keramik seperti terlihat pada gambar, maka lembaran keramik akan mengalami deformasi tekan (garis putus-putus pada gambar), jarak antara muatan terikat positif dan negatif pada lembaran menjadi lebih kecil, dan intensitas polarisasi juga berubah. Oleh karena itu, sebagian muatan bebas yang semula teradsorpsi pada elektroda dilepaskan, dan terjadilah fenomena muatan. Ketika tekanan dihilangkan, potongan keramik kembali ke keadaan semula (ini adalah proses pemuaian), jarak antara muatan positif dan negatif dalam film menjadi lebih besar, dan intensitas polarisasi juga menjadi lebih besar, sehingga sebagian muatan bebas teradsorpsi pada elektroda dan terjadilah fenomena pengisian. Fenomena perubahan dari mekanik ke listrik, atau dari mekanik ke listrik, inilah yang disebut dengan efek piezoelektrik positif.

Demikian pula, jika medan listrik dengan arah polarisasi yang sama dari keramik piezo daya tinggi diterapkan pada lembaran keramik, seperti yang ditunjukkan pada gambar, karena arah medan listrik sama dengan arah polarisasi, aksi medan listrik meningkatkan polarisasi. Pada saat ini jarak antara muatan terikat positif dan negatif pada lembaran keramik juga bertambah, yaitu lembaran keramik memanjang searah polarisasi (garis putus-putus pada gambar). Demikian pula, jika arah medan listrik yang diberikan berlawanan dengan arah polarisasi, maka lembaran keramik akan memendek searah polarisasi. Fenomena perubahan menjadi efek mekanik akibat efek listrik atau peralihan dari energi listrik ke energi mekanik merupakan kebalikan dari efek piezoelektrik.

   

Terlihat bahwa keramik piezoelektrik mempunyai efek piezoelektrik akibat adanya polarisasi spontan di dalam keramik. Setelah polarisasi spontan dilakukan proses polarisasi dan dipaksa untuk disejajarkan, sisa polarisasi terdapat pada keramik. Jika aksi eksternal (seperti aksi tekanan atau medan listrik) dapat mengubah polarisasi, keramik piezo akan memiliki efek piezoelektrik. Selain itu terlihat bahwa muatan terpolarisasi pada keramik merupakan muatan terikat, tidak bersifat bebas muatan, dan muatan terikat tersebut tidak dapat bergerak bebas. Oleh karena itu, fenomena pelepasan atau pengisian yang dihasilkan pada keramik disebabkan oleh perubahan polarisasi internal keramik, yang menyebabkan pelepasan atau pengisian kembali muatan bebas pada permukaan elektroda.

Ketika keramik piezoelektrik dikenai gaya Fz dalam arah polarisasi (arah Z) pada bidang polarisasi (yaitu gaya tegak lurus bidang polarisasi), maka pada dua bidang polarisasi berlapis perak (atau emas), masing-masing muncul muatan positif dan negatif, besarnya muatan Qzz sebanding dengan gaya Fz, yaitu:

Bahan piezoelektrik:

Kristal piezoelektrik, seperti kuarsa;
Keramik piezoelektrik, seperti barium titanat, timbal zirkonat titanat, dll.;
Semikonduktor piezoelektrik seperti seng sulfida, kadmium telurida, dan sejenisnya.
        
Persyaratan sifat bahan piezoelektrik:

Keuntungan luar biasa dari kristal kuarsa strip keramik piezoelektrik sangat stabil untuk kinerja, kekuatan mekanik yang tinggi dan sifat isolasi yang sangat baik. Namun, bahan kuarsa mahal dan memiliki koefisien piezoelektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan keramik piezoelektrik. Oleh karena itu, umumnya hanya digunakan pada instrumen atau sensor standar yang memerlukan persyaratan lebih tinggi. Karena kuarsa adalah kristal anisotropik, sifat fisik (seperti elastisitas, efek piezoelektrik, karakteristik suhu, dll.) wafer yang dipotong ke berbagai arah sangat bervariasi. Untuk merancang sensor kuarsa, bentuk potongan kuarsa dipilih dengan benar sesuai dengan kebutuhan aplikasi yang berbeda.