Sensor piezoelektrik adalah jenis sensor yang menggunakan efek piezoelektrik untuk mendeteksi tekanan, kekuatan mekanis, atau getaran. Sensor ini didasarkan pada material piezoelektrik yang menghasilkan muatan listrik ketika diberi tekanan atau terkena gaya mekanis.
Istilah “piezoelektrik” berasal dari kata Yunani “piezein”, yang berarti “menekan” atau “menyilangkan”. Ketika material piezoelektrik ditekan atau diberi tekanan, struktur internalnya mengalami deformasi, yang menghasilkan muatan listrik yang dapat diukur.
Bahan piezoelektrik
Elemen piezoelektrik ini tersusun dari elektroda yang terdapat pada lapisan atas, piezoelectric ceramic berada di lapisan tengah dan metal plate yang terdapat pada lapisan bawah.
Material piezoelektrik umumnya digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk pembangkit listrik mikro (misalnya, dalam pembangkit listrik dari getaran), sensor tekanan, penghasil bunyi (seperti dalam buzzer), dan perangkat medis (seperti ultrasonografi).
Baca Juga : Jenis Jenis Sensor Dan Pengertiannya
Sifat piezoelektrik juga dimanfaatkan dalam teknologi pencitraan medis, seperti ultrasound, di mana gelombang suara dipancarkan ke dalam tubuh dan dipantulkan kembali untuk membuat gambar organ internal.
Pentingnya sifat ini telah membuat penelitian dan pengembangan material piezoelektrik terus berkembang, dengan upaya untuk meningkatkan efisiensi dan aplikasi teknologi yang lebih luas.
Keunggulan Sensor piezoelektrik
Sensor piezoelektrik memiliki beberapa keunggulan, termasuk:
1. Kecepatan respons: Sensor piezoelektrik memiliki waktu respons yang cepat karena mereka mengubah energi mekanis menjadi sinyal listrik dengan sangat cepat.
2. Rentang frekuensi yang luas: Mereka dapat mendeteksi getaran dalam rentang frekuensi yang luas, dari frekuensi rendah hingga frekuensi tinggi.
3. Ketahanan terhadap lingkungan eksternal: Sensor piezoelektrik cenderung tahan terhadap kondisi lingkungan yang ekstrem, termasuk suhu tinggi, kelembaban, dan korosi.
4. Ukuran kecil: Sensor piezoelektrik sering memiliki ukuran fisik yang kecil, membuatnya cocok untuk integrasi dalam perangkat yang memerlukan sensor kecil dan ringan.
Implementasi Sensor piezoelektrik
Elemen piezo sering digunakan dalam berbagai aplikasi, diantaranya :
1. Sensor tekanan: Elemen piezo dapat digunakan sebagai sensor tekanan untuk mengukur tekanan atau kekuatan yang diterapkan padanya. Ketika tekanan diberikan, material piezoelektrik menghasilkan muatan listrik yang dapat diukur untuk menentukan tekanan tersebut.
2. Pembangkit getaran: Elemen piezo juga dapat digunakan sebagai pembangkit getaran, di mana tegangan listrik diberikan ke elemen piezo untuk menghasilkan getaran mekanis. Hal ini sering digunakan dalam aplikasi seperti pembuat bunyi, buzzer, atau perangkat yang memerlukan getaran terkendali.
3. Pembangkit listrik mikro: Dalam beberapa aplikasi, elemen piezo dapat digunakan sebagai pembangkit listrik mikro. Ketika diberi tekanan atau getaran, elemen piezo dapat menghasilkan tegangan listrik yang dapat digunakan untuk menghasilkan daya listrik kecil untuk perangkat elektronik kecil atau sensor.
4. Pemfilteran akustik: Elemen piezo juga digunakan dalam aplikasi pemfilteran akustik, di mana mereka dapat digunakan untuk mengontrol atau memanipulasi gelombang suara dengan mengubah getaran mekanis menjadi sinyal listrik.
Baca juga : Pembahasan lengkap Sensor ultrasonic hc-sr04
Dengan berbagai macam aplikasi ini, elemen piezo menjadi komponen penting dalam teknologi sensor, perangkat pembangkit suara, dan berbagai sistem kontrol dan pemrosesan sinyal.
Prinsip kerja piezoelektrik
Prinsip kerja piezoelektrik dapat dijelaskan dalam beberapa tahap yaitu :
1. Deformasi Mekanis: Ketika material piezoelektrik diberi tekanan, getaran, atau gaya mekanis lainnya, strukturnya mengalami deformasi. Ini dapat menyebabkan pergeseran ion-ion positif dan negatif di dalam material.
2. Pemisahan Muatan: Deformasi ini menghasilkan pergeseran muatan positif dan negatif di dalam material, menciptakan polarisasi listrik di dalamnya. Posisi ion-ion dalam material berubah dan muatan listrik terpisah, menciptakan medan listrik di sekitarnya.
3. Tegangan Listrik: Medan listrik yang dihasilkan oleh pergeseran muatan menghasilkan tegangan listrik antara permukaan material. Tegangan listrik ini dapat diukur dan dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi.
4. Efek sebaliknya: Sebaliknya, ketika tegangan listrik diberikan ke material piezoelektrik, itu dapat menyebabkan perubahan deformasi dalam struktur material. Ini dikenal sebagai efek sebaliknya dari efek piezoelektrik, di mana tegangan listrik menghasilkan deformasi mekanis.
Anda dapat membayangkan prinsip kerja piezoelektrik dengan membayangkan sepotong material kristalin piezoelektrik, seperti kristal kuarsa atau keramik piezoelektrik. Ketika material ini diberi tekanan atau gaya mekanis, misalnya, dengan menekannya atau memberikannya getaran, struktur internalnya akan mengalami deformasi. Deformasi ini menyebabkan pergeseran muatan positif dan negatif di dalam material, yang menciptakan polarisasi listrik di dalamnya.
Kristal piezoelektrik di tempatkan diantara dua plat elektroda. Bila terhadap plat diberikan gaya maka kristal akan mendapat tegangan dan mengalami deformasi. Deformasi ini menyebabkan timbulnya beda potensial pada permukaan kristal.
Muatan induksi pada kristal sebanding dengan gaya yang diberikan, yaitu memenuhi persamaan berikut
Q=dF………
Dimana :
Q adalah muatan dalam unit coulomb,
F adalah gaya dalam unit newton,
d adalah tetapan yang disebut konstanta piezoelektrik.
Tegangan output Kristal memenuhi persamaan;
E=gtp………………
Dimana :
t adalah tebal kristal dalam unit meter,
p adalah tekanan dalam unit newton per meter persegi,
g disebut sensitivitas tegangan.
Nilai sensitivitas tegangan beberapa bahan ;
Kuarsa = 0,055 V*m/N
Garam Rochelle= 0,098 V*m/N
Amonium dihidrogen fosfat = 0,354 V*m?N
Prinsip kerja piezoelektrik ini mirip dengan cara muatan bergerak di dalam baterai saat baterai diisi ulang. Namun, dalam kasus piezoelektrik, polarisasi ini terjadi secara langsung sebagai respons terhadap tekanan atau getaran mekanis, bukan melalui reaksi kimia seperti dalam baterai.
Kesimpulan
Polarisasi listrik yang dihasilkan menciptakan medan listrik di sekitar material, yang kemudian dapat diukur sebagai tegangan listrik. Ini adalah dasar dari bagaimana sensor piezoelektrik mendeteksi tekanan atau getaran.
Sebaliknya, ketika tegangan listrik diberikan ke material piezoelektrik, itu dapat menyebabkan perubahan deformasi dalam struktur material, menghasilkan efek sebaliknya dari efek piezoelektrik.
Dengan demikian, prinsip kerja piezoelektrik dapat dipahami sebagai interaksi antara energi mekanis dan energi listrik dalam material piezoelektrik, di mana satu bentuk energi dapat diubah menjadi yang lainnya.
Prinsip ini digunakan dalam berbagai aplikasi sensor, pembangkit listrik mikro, pembangkit bunyi, dan banyak lagi. Penting untuk dicatat bahwa tidak semua material piezoelektrik memiliki efek yang sama, dan beberapa material memiliki respons yang lebih kuat terhadap tegangan mekanis dari pada yang lain.
Namun, prinsip dasar deformasi mekanis yang menghasilkan perubahan muatan listrik adalah konsep inti dari prinsip kerja piezoelektrik.
