PIEZOELECTRIC

PiezoelektrikKata 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.

Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton.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.Bahan Piezoelektrik

Bahan 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. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dsb.

Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya 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 ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).

Pemanfaatan bahan piezoelektrik :

1. Penghasil listrik tegangan tinggiBahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda potensial hingga ribuan volt sehingga

banyak digunakan sebagai sumber tegangan tinggi. Salah alat yang bekerja dengan prinsip ini antara lain:

Electric cigarette lighter: pressing the button causes a springloaded hammer to hit a piezoelectric crystal, producing a sufficiently high voltage electric current that flows across a small spark gap, thus heating and igniting the gas. The portable sparkers used to light gas grills or stoves work the same way, and many types of gas burners now have built‐in piezo‐based ignition systems.

2. TransduserTransduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energy kedalam bentuk energi yang

lain. Transduser ultrasonic 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.

Beberapa transduser yang bekerja menggunakan bahan piezoelektrik antara lain:         Piezoelectric elements are also used in the detection and generation of sonar waves.         Power monitoring in high power applications (e.g. medical treatment, sonochemistry and

industrial processing).         Piezoelectric microbalances are used as very sensitive chemical and biological sensors.         Piezos are sometimes used in strain gauges.         Piezoelectric transducers are used in electronic drum pads to detect the impact of the drummer's

sticks.Elemen piezoelektrik juga digunakan dalam deteksi dan generasi gelombang sonar .• pemantauan daya dalam aplikasi daya tinggi ( misalnya perawatan medis , sonochemistry dan industri pengolahan ) .• piezoelectric microbalances digunakan sebagai bahan kimia yang sangat sensitif dan sensor biologis .• piezos kadang-kadang digunakan dalam pengukur regangan .• transduser piezoelectric digunakan dalam drum pads elektronik untuk mendeteksi dampak dari tongkat drummer .

Kelebihan PiezoelektrikElemen piezoelektrik 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 hokum penyekalaan yang menarik sehingga bermanfaat pada piranti yang kecil.

Kekurangan PiezoelektrikPiezoelektrik 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 sampai 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. 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.http://budikribo.blogspot.com/2013/05/piezoelectric.html

SENSOR PIEZOELECTRIC JENIS FILM PVDF (Polyvinylidene Fluoride)Posted on 14 Desember 2010 | Meninggalkan komentar

SENSOR PIEZOELECTRIC JENIS FILM PVDF(Polyvinylidene Fluoride)A. Definisi-definisiD Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya.

Contoh; Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, dan lainnya.Sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi (atau mengukur) besaran fisik menjadi besaran elektrik.

Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada 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.

Piezoelectric sensor jenis Film PVDF adalah sensor tekanan yang berfungsi untuk menghitung jumlah kendaraan yang melewati ruas jalan tertentu per satuan waktu.B. Bahan SensorSensor ini dirancang dengan bahan yang disebut PVDF (Polyvinylidene Fluoride) film / plastic polymer dan conductive rubber sebagai bahan utama sensor untuk pengukuran beban, tegangan, regangan ataupun deformasi dari suatu struktur.Sedangkan bahan-bahan lain yang digunakan untuk sensor Piezoelectric ini adalah kristal turmalin, kuarsa, ratna cempaka, dan garam rossel, karena dengan kemampuan bahan-bahan tertentu tersebut dapat  menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan-bahan itu dipanaskan atau didinginkan, dengan pemahaman akan struktur dan perilaku sebuah kristal.Ukuran dan bentuk sensor ini dapat dibuat sangat fleksibel atau berdasarkan kebutuhan penggunaannya.

C. Karakteristik SensorSuatu bahan piezoelektrik dapat mengubah deformasi mekanik menjadi medan listrik yang setara (direct piezoelectric effect), dan sebaliknya dapat mengubah medan listrik yang dikenakan padanya menjadi deformasi mekanik yang setara (converse piezoelectric effect). PVDF jenis lapisan tipis atau sering disebut film PVDF ini mempunyai beberapa sifat yang menguntungkan, di antaranya adalah: fleksibel, ringan, mampu bekerja pada pita frekuensi yang sangat lebar, dan juga tersedia dalam berbagai bentuk ketebalan dan luasan. Di samping itu, film PVDF dapat ditempelkan secara langsung pada material lain (misalnya karet, baja) dengan menggunakan bahan perekat, tanpa mengakibatkan kerusakan pada material bersangkutan maupun film PVDF-nya.Apabila film PVDF terdeformasi secara mekanik, misalnya terkena tekanan, maka partikel penyusunnya menjadi terpolarisasi sehingga menimbulkan konsentrasi muatan listrik pada masing-masing permukaannya. Besarnya konsentrasi muatan listrik yang terbentuk ini dapat dinyatakan dalam dua mode persamaan, yaitucharge mode dan voltage mode.Desain mekanis sistem sensor

Sistem sensor didesain seperti pada gambar 3 seperti di bawah. Karet pejal dengan tingkat kekerasan (hardness) 70% dibuat berbentuk seperti huruf T yang tebal, dengan sisi bagian bawah mempunyai lebar 6 cm dan sisi bagian atas mempunyai lebar 8 cm, serta panjang 100 cm. Dengan tingkat kekerasan ini, diharapkan karet mampu menahan beban besar (sampai dengan lebih dari 200 kg) tanpa kehilangan sifat elastisitasnya. Bantalan karet ini selanjutnya dimasukkan pada casing besi untuk pemerataan pembebanan dan perlindungan

kerusakan. Antara casing besi dengan karet pejal disekrup dengan erat sehingga diharapkan tidak ada gesekan antara casing besi dengan karet pejal yang dapat mengganggu tegangan keluaran sensor piezoelektrik. Dengan adanya pengait ini diharapkan dapat menurunkan noise pada data pengukuran.D. Cara Pengukuran Sensor / Cara Kerja SensorDari rangkaian pengkondisi sinyal dapat diketahui bahwa sinyal keluaran dari elemen film PVDF adalah muatan listrik yang nilainya dalam orde pico coulomb (pC). Nilai ini adalah terlalu kecil untuk umumnya piranti ukur seperti voltmeter atau osiloskop. Sehingga diperlukan suatu pengondisi sinyal yang berfungsi sebagai penguat tegangan pengukuran. Terdapat dua mode pengkondisi sinyal yang umumnya dipergunakan pada bahan-bahan piezoelektrik, yaitu charge mode amplifier dan voltage mode amplifier. Pada desain ini dipergunakan charge mode amplifier dengan salah satu pertimbangan bahwa pada mode ini panjangnya kabel konduktor tidak akan berpengaruh pada sinyal keluaran.Desain lengkap rangkaian pengkondisi sinyal diberikan pada gambar 4. Dengan rangkaian yang terdiri atas dua unit yaitu charge amplifier dan gain control.Charge amplifier sebagai pengubah besaran muatan listrik menjadi tegangan listrik setara, sedangkan gain control sebagai rangkaian penguat tegangan listrik. Komponen Cp dan Vp yang dirangkai secara seri adalah rangkaian ekivalen dari elemen film PVDF.Berikut ini adaah contoh pengujian sensor piezoelectric tipe film PVDF. Pengujian ini dilakukan di lapangan langsung karena untuk mengetahui sampai sejauh mana sistem instrumentasi ini dapat diaplikasikan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan sepeda motor yang dikendarai oleh seseorang (beban kendaraan dan pengendara yang sama) yang dilewatkan pada sistem sensor. Data diambil pada saat sistem sensor dilewati oleh sepeda motor. Kecepatan sepeda motor yang digunakan adalah 10 km/jam, 20 km/jam dan 30 km/jam.

Hasil pengujian masing-masing untuk kecepatan sekitar 10 km/jam (gb.8a), 20km/jam (gb.8b), dan 30 km/jam. Analisis dari hasil percobaan ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Dua sinyal pada masing-masing gambar menunjukan sinyal akibat tekanan roda depan dan roda belakang. Untuk tiap-tiap kecepatan kendaraan, memberikan jarak antara sinyal tekanan roda depan dan roda belakang yang tidak sama. Untuk kecepatan yang lebih tinggi, jarak antara dua sinyal semakin kecil. Hal ini sangat logis karena untuk menempuh jarak yang sama (jarak roda depan-belakang) diperlukan waktu yang semakin lama untuk kecepatan yang semakin kecil, sesuai hukum mekanika. Selanjutnya amplitudo sinyal yang bersesuaian untuk masing-masing gambar adalah sama, hal ini karena beban yang dialami oleh sistem sensor juga sama, yaitu berat kendaraan dan pengendaranya. Sedangkan periode masing-masing sinyal untuk naik-turun (charge-discharge) dipengaruhi oleh kecepatan kendaraan. Semakin cepat kendaraan, semakin kecil waktu yang diperlukan untuk charge-discharge. Sifat ini sangat menguntungkan untuk pengukuran-pengukuran beban dinamik (dynamic load measurements).

Dari hasil eksperimen yang telah dilakukan di atas, maka dapat dikatakan bahwa material film PVDF sangat baik untuk pengukuran beban dinamik (dynamic load measurement), sehingga dapat digunakan sebagai traffic load sensor.Eksperimen aplikasi di jalan raya (kondisi yang sesungguhnya) perlu dilakukan untuk mengetahui desain mekanik-elektrik yang paling optimal.E. Implementasi SensorImplementasi Sensor Piezoelectric ini yaitu dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan pengukuran beban-beban mekanis dan dinamis, mulai dari bidang structural engineering, hydrodynamics exsperiment, mechanical engineering, ataupun sport engineering.

Selain itu dengan menggunakan bahan sensor piezoelectric atau tipe sensor yang lain maka implementasinya juga bias bermacam-macam, contohnya sensor ini biasanya digunakan sebagai alat pendeteksi kadar gula dalam darah, mendeteksi jantung, dan lain-lain. Pemillihan alat ini sesuai dengan karakteristik dan keperluan masing-masing/fungsi masing-masing alat yang dibutuhkan.

Efek piezoelektrik adalah generasi muatan listrik oleh bahan kristalsetelah menundukkan stres . Efeknya ada dalam kristal alami , seperti kuarsa( kimia rumus SiO2 ) , dan poled ( artifisial terpolarisasi ) keramik buatan manusia danbeberapa polimer , seperti polivinilidena flouride . Dikatakan bahwa bahan piezoelektrikmemiliki sifat feroelektrik . Nama itu diberikan oleh analogi dengan feromagnetikproperti . Kata piezo berasal dari piezen Yunani, yang berarti menekan . ituCurie bersaudara menemukan efek piezoelektrik dalam kuarsa pada tahun 1880 , tapi sangat sedikit penggunaan praktis dibuat sampai 1917, ketika petenis Prancis lainnya, Profesor P. Langevindigunakan x-potong pelat kuarsa untuk menghasilkan dan mendeteksi gelombang suara dalam air. Karyanya dipimpinuntuk pengembangan sonar.Asimplified, namun model yang cukup jelas dari efek piezoelektrik diusulkanpada tahun 1927 oleh A. Meissner [3]. Sebuah kristal kuarsa dimodelkan sebagai heliks (Gambar. 3.21A) dengansatu silikon, Si, dan dua oksigen, O2, atom bolak sekitar heliks. Sebuah kuarsakristal dipotong sepanjang sumbu x, y, dan z; dengan demikian, Gambar. 3.21A adalah pemandangan di sepanjang sumbu z.Dalam sebuah sel tunggal-kristal, ada tiga atom silikon dan enam atom oksigen. Oksigensedang disamakan berpasangan. Setiap atom silikon membawa empat muatan positif dan sepasangatom oksigen membawa empat tuduhan negatif (dua per atom). Oleh karena itu, kuarsasel netral dalam kondisi tanpa stres. Ketika kekuatan eksternal, Fx,diterapkan sepanjang sumbu x, kisi heksagonal menjadi cacat. Gambar 3.21Bmenunjukkan kekuatan kompresi yang menggeser atom dalam kristal sedemikian rupa bahwamuatan positif dibangun di sisi atom silikon dan muatan negatif di oksigensisi pasangan. Dengan demikian, kristal mengembangkan muatan listrik sepanjang sumbu y. Jika kristal

membentang di sepanjang sumbu x (Gambar. 3.21C), biaya polaritas berlawanan dibangun bersamasumbu y, yang merupakan hasil dari deformasi yang berbeda. Model sederhana ini menggambarkanbahwa bahan kristal dapat mengembangkan muatan listrik pada permukaannya dalam menanggapideformasi mekanik. Penjelasan yang sama dapat diterapkan untuk piroelektrik yangEfek, yang dibahas pada Bagian 3.6.Untuk mengambil muatan listrik, elektroda konduktif harus diterapkan untuk kristaldi sisi berlawanan dari cut (Gbr. 3.22) .Sebagai hasilnya, sensor piezoelektrik menjadikapasitor dengan bahan dielektrik yang merupakan kristal piezoelektrik. Tindakan dielektriksebagai generator muatan listrik, sehingga tegangan V pada kapasitor. Meskipunbiaya dalam dielektrik kristal terbentuk di lokasi kekuatan akting, logamelektroda menyamakan biaya sepanjang permukaan, membuat kapasitor tidak selektifsensitif. Namun, jika elektroda terbentuk dengan pola yang kompleks, adalah mungkin untukmenentukan lokasi yang tepat dari gaya yang diterapkan dengan mengukur respon darielektroda yang dipilih.Efek piezoelektrik adalah fenomena fisik reversibel . Itu berarti bahwamenerapkan tegangan kristal menghasilkan regangan mekanik . Dengan menempatkan beberapaelektroda pada kristal , adalah mungkin untuk menggunakan sepasang elektroda untuk memberikan tegangankristal dan pasangan lain dari elektroda untuk mengambil muatan yang dihasilkan dari dikembangkanregangan . Metode ini digunakan cukup luas dalam berbagai transduser piezoelektrik .Besarnya efek piezoelektrik disederhanakan dapat direpresentasikanoleh vektor polarisasi [ 4 ] :di mana x , y , dan z mengacu pada sistem ortogonal konvensional terkait dengan sumbu kristal .Dalam hal tegangan aksial , σ , kita dapat write6dimana konstanta dmn adalah koefisien piezoelektrik sepanjang sumbu ortogonal darikristal dipotong . Dimensi koefisien ini C / N ( coulomb / newton ) ( yaitu , biayaUnit per unit force) .Untuk kenyamanan perhitungan , dua unit tambahan telah diperkenalkan .Yang pertama adalah koefisien ag yang didefinisikan oleh sebuah divisi dari koefisien yang sesuai dmnoleh konstanta dielektrik mutlakKoefisien ini merupakan gradien tegangan ( medan listrik ) yang dihasilkan oleh kristalper unit diterapkan tekanan ; dimensinya adalah

Pembuatan sensor PZT keramik dimulai dengan kemurnian tinggi oksida logam(Oksida timah, oksida zirkonium, titanium oksida, dll) dalam bentuk serbuk halus memilikiberbagai warna. Bubuk digiling untuk kehalusan tertentu dan dicampur secara menyeluruhdalam proporsi kimia yang benar. Dalam proses yang disebut "kalsinasi," campuran yangkemudian terkena suhu tinggi, sehingga bahan-bahan untuk bereaksi membentukbubuk, setiap butir yang memiliki komposisi kimia yang dekat dengan akhir yang diinginkancomposition.At tahap ini, bagaimanapun, gandum belum memiliki kristal yang diinginkanstruktur.Langkah berikutnya adalah untuk mencampur bubuk dikalsinasi dengan pengikat organik padat dan / atau cair(Dimaksudkan untuk membakar selama pembakaran) dan mekanis membentuk campuran menjadi "kue"yang erat mendekati bentuk dari elemen penginderaan akhir. Untuk membentuk "kue"

bentuk yang diinginkan, beberapa metode dapat digunakan. Di antara mereka yang menekan (di bawahkekuatan hidrolik bertenaga piston), casting (menuangkan cairan kental ke dalam cetakan danmemungkinkan untuk kering), ekstrusi (menekan campuran melalui mati, atau sepasang gulungan untukmembentuk lembaran tipis), dan tape casting (menarik cairan kental ke sabuk bergerak halus).Setelah "kue" telah terbentuk, mereka ditempatkan ke dalam kiln dan terkenasangat dikontrol profil temperatur dengan hati-hati. Setelah pembakaran dari pengikat organik,materi menyusut sekitar 15%. The "kue" yang dipanaskan sampai cahaya merah dan dipeliharapada saat itu negara untuk beberapa waktu, yang disebut "rendam waktu," di mana finalreaksi kimia terjadi. Struktur kristal terbentuk ketika bahan tersebutdidinginkan. Tergantung pada materi, seluruh menembak dapat mengambil 24 jam. KetikaBahan dingin, elektroda kontak diterapkan ke permukaan. Hal ini dapat dilakukan denganbeberapa metode. Yang paling umum dari mereka adalah dipecat-on silver (a silkscreening dariCampuran dan refiring perak-kaca), sebuah plating tanpa listrik (deposisi kimia dalammandi khusus), dan sputtering (eksposur uap logam dalam vakum parsial).Crystallities (sel kristal) dalam materi dapat dianggap dipol listrik. Dibeberapa bahan, seperti kuarsa, sel-sel ini secara alami berorientasi sepanjang sumbu kristal,sehingga memberikan sensitivitas materi terhadap stres. Dalam bahan lain, dipol secara acakberorientasi dan bahan harus "poled" memiliki sifat piezoelektrik.Untuk memberikan bahan kristal sifat piezoelektrik, beberapa teknik polingdapat digunakan. Proses poling yang paling populer adalah poling termal, yang meliputilangkah-langkah berikut:1. Bahan kristal (keramik atau polimer film) yang telah berorientasi secara acakdipol (Gambar. 3.23A) yang menghangat sedikit di bawah suhu Curie nya. Dalam beberapakasus (untuk film PVDF), bahan yang menekankan. Sebuah hasil suhu tinggidalam agitasi kuat dipol dan memungkinkan kita untuk lebih mudah mengarahkan mereka dalamarah yang diinginkan.2. Bahan ditempatkan dalam medan listrik yang kuat, E (Gambar. 3.23B) di mana dipol menyelaraskansepanjang garis medan. Alignment tidak total. Banyak dipol menyimpang darimengajukan arahan cukup kuat; orientasi Namun, statistik dominandipol dipertahankan.3. Bahan didinginkan sementara medan listrik di seluruh ketebalannya dipertahankan.4. medan listrik dihapus dan proses poling selesai. Selamabahan poled dipertahankan di bawah suhu Curie, polarisasitetap permanen. Dipol tetap "beku" dalam arah yang diberikankepada mereka oleh medan listrik pada suhu tinggi (Gambar. 3.23C).

Metode lain, disebut korona debit poling, juga digunakan untuk memproduksi polimerpiezo / pyroelectrics. Film ini mengalami debit korona dari elektrodadi beberapa juta volt per sentimeter ketebalan film untuk 40-50 detik [5,6]. Koronapolarisasi tidak rumit untuk melakukan dan dapat dengan mudah diterapkan sebelum listrikkerusakan terjadi, membuat proses ini berguna pada suhu kamar.Operasi terakhir dalam penyusunan elemen penginderaan adalah membentuk dan finishing.Ini termasuk pemotongan, mesin, dan grinding. Setelah piezo yang (pyro) elemendisiapkan, akan diinstal ke dalam perumahan sensor, di mana elektroda yang terikat pada

terminal listrik dan komponen elektronik lainnya.Setelah poling, kristal tetap permanen terpolarisasi; Namun, itu adalah elektrikdikenakan biaya untuk waktu yang relatif singkat. Ada jumlah yang cukup operator gratis yangbergerak di setup medan listrik di dalam bahan massal dan ada banyak dibebankanion di udara sekitarnya. Pembawa muatan bergerak ke arah dipol poled danmenetralisir biaya mereka (lihat Gambar. 3.23C). Oleh karena itu, setelah beberapa saat, piezoelektrik poledmateri menjadi elektrik habis asalkan masih di bawah kondisi mapankondisi. Ketika stres diterapkan, atau pukulan udara di dekat permukaan (Bagian 10.7 dariBab 10) negara seimbang terdegradasi dan bahan piezoelektrik berkembangmuatan listrik. Jika stres dipertahankan untuk sementara waktu, biaya lagi akandinetralkan oleh kebocoran internal. Dengan demikian, sensor piezoelektrik responsif hanya untukyang berubah stres daripada tingkat stabil itu. Dengan kata lain, piezoelektrik sebuahsensor adalah perangkat ac, daripada perangkat dc.

Sensitivitas directional piezoelektrik (d koefisien) tergantung suhu.Untuk beberapa bahan (kuarsa), sensitivitas turun dengan kemiringan -0,016% /° C. Untuklain (film PVDF dan keramik) pada suhu di bawah 40◦C, mungkin turun, dan padasuhu yang lebih tinggi, meningkat dengan kenaikan suhu. Saat ini, yang paling populerbahan untuk pembuatan sensor piezoelektrik adalah keramik [7-9]. Awalkeramik feroelektrik adalah titanat barium, zat polikristalin memilikirumus kimia BaTiO3. Stabilitas polarisasi permanen bergantung padakekuatan koersif dari dipol. Dalam beberapa bahan, polarisasi dapat menurun seiring waktu.Untuk meningkatkan stabilitas bahan poled, kotoran telah diperkenalkan dibahan dasar dengan gagasan bahwa polarisasi dapat "dikunci" ke posisi [4].Meskipun perubahan konstan piezoelektrik dengan suhu operasi, dielektrikkonstan, κ, menunjukkan ketergantungan yang sama. Jadi, menurut rumus (3.71), variasinilai ini cenderung membatalkan satu sama lain karena mereka masuk ke dalam pembilang danpenyebut. Hal ini menghasilkan stabilitas yang lebih baik dari tegangan output, V, lebih luasKisaran suhu.Elemen-elemen piezoelektrik dapat digunakan sebagai kristal tunggal atau multilayerbentuk di mana beberapa piring dari bahan dilaminasi bersama-sama. Hal ini harus dilakukandengan elektroda ditempatkan di antara. Gambar 3.24 menunjukkan kekuatan dua lapisan sensor. Kapankekuatan eksternal diterapkan, bagian atas sensor mengembang sementara bagian bawahkompres. Jika lapisan dilaminasi dengan benar, ini menghasilkan sinyal output ganda.Sensor ganda dapat memiliki koneksi paralel seperti ditunjukkan pada Gambar. 3.25Aor serialkoneksi seperti pada Gambar. 3.24C.The rangkaian setara listrik dari sensor piezoelektrikadalah koneksi paralel dari sumber stres yang disebabkan arus (i), tahanan bocor (r),dan kapasitansi (C). Tergantung pada sambungan lapisan, sirkuit yang setara untuk

sensor laminated seperti yang ditunjukkan pada Gambar . 3.25B dan 3.25D . Resistor kebocoranr yang sangat besar ( di urutan 1012 -1014 ) , yang berarti bahwa sensor memilikiimpedansi keluaran yang sangat tinggi . Hal ini memerlukan sirkuit antarmuka khusus, sepertisebagai biaya dan arus ke tegangan konverter, atau amplifier tegangan dengan masukan tinggiresistensi .

Film piezoelektrikPada tahun 1969 , H. Kawai menemukan piezoelektrik yang kuat di PVDF ( polyvinylidenefluoride ) , dan pada tahun 1975 , Pioneer perusahaan Jepang , Ltd mengembangkan komersial pertamaproduk dengan PVDF sebagai pengeras suara piezoelektrik dan earphone [ 10 ] .PVDF adalah polimer semicrystalline dengan gelar perkiraan kristalinitas50 % [ 11 ] . Seperti polimer semicrystalline lainnya , PVDF terdiri dari struktur pipihdicampur dengan daerah amorf . Struktur kimia mengandung unit ulangdari ganda flouride etena CF2 - CH2 :

Berat molekul PVDF adalah sekitar 105 , yang sesuai dengan sekitar 2000 ulangiunit . Film ini cukup transparan dalam daerah tampak dan dekat - IR ( inframerah ) danserap di bagian jauh-IR dari spektrum elektromagnetik. Mencair polimersekitar 170◦C. Densitasnya adalah sekitar 1780 kg / m3. PVDF adalah mekanis tahan lamadan bahan yang fleksibel. Dalam aplikasi piezoelektrik, biasanya ditarik, uniaksial ataubiaxially, beberapa kali panjangnya. Konstanta elastis, (misalnya, modulus Young) bergantungrasio imbang ini. Dengan demikian, jika film PVDF ditarik di 140◦C dengan rasio 4: 1,Nilai modulus 2.1 GPa, sedangkan untuk rasio menarik dari 6,8: 1, itu 4,1 GPa. Ituresistivitas film ini juga tergantung pada rasio peregangan. Misalnya, pada peregangan rendah,adalah sekitar 6,3 × 1015 cm, sedangkan untuk rasio peregangan 7: 1 adalah 2 × 1016 cm.Polyvinylidene fluoride tidak memiliki tinggi atau bahkan setinggi piezoelektrikkoefisien sebagai bahan yang umum digunakan lainnya, seperti BaTiO3 atau dipelajari. Namun, ia memilikikualitas yang unik tidak mendepolarisasi saat sedang mengalami bolak listrik yang sangat tinggibidang. Ini berarti bahwa meskipun nilai D31 dari PVDF adalah sekitar 10% dari PZT,strain maksimum diamati di PVDF akan 10 kali lebih besar daripada di PZT karenabidang maksimum yang diizinkan adalah 100 kali lebih besar untuk PVDF. Film ini menunjukkan baikStabilitas: Bila disimpan di 60◦C, kehilangan sensitivitas sekitar 1-2% lebih dari 6 bulan.Karakteristik komparatif untuk berbagai bahan piezoelektrik diberikan dalam TabelA.8.Another keuntungan film piezo lebih piezo keramik impedansi akustik rendah,yang lebih dekat dengan air, jaringan manusia, dan bahan organik lainnya. Sebagai contoh,impedansi akustik film piezo hanya 2,6 kali dari air, sedangkangreater.Aclose izin pertandingan impedansi keramik piezo biasanya 11 kali lebihtransduksi efisien sinyal akustik dalam air dan jaringan.

Beberapa sifat unik dari film piezoelektrik adalah sebagai follows8:• rentang frekuensi lebar: 0.001 Hz sampai 109 Hz• dynamic range luas: 10-8-106 psi atau μtorr ke mbar.• Rendah impedansi akustik: pertandingan dekat dengan air, jaringan manusia, dan sistem perekat• kepatuhan elastis Tinggi• tegangan output tinggi: 10 kali lebih tinggi dari keramik piezo untuk gaya input yang sama• Tinggi kekuatan dielektrik: menahan bidang yang kuat (75 V / m), di mana sebagian besar piezokeramik depolarisasi• kekuatan mekanik tinggi dan dampak resistensi: 109-1010 P modulus.• Tinggi stabilitas: menolak kelembaban (<0,02% penyerapan air), sebagian besar bahan kimia,oksidan, dan ultraviolet intens dan radiasi nuklir• Dapat dibuat menjadi berbagai bentuk

• Dapat direkatkan dengan perekat komersialSifat khas dari film piezoelektrik yang diberikan pada Tabel 3.1.Seperti beberapa bahan feroelektrik lainnya, PVDF juga piroelektrik (lihat Bagian3.7), menghasilkan muatan listrik dalam menanggapi perubahan suhu. PVDFsangat menyerap energi infra merah dalam rentang panjang gelombang 7-20-mm, meliputipanjang gelombang spektrum yang sama seperti panas dari tubuh manusia. Namun, terlepas dariFakta bahwa film ini dapat menyerap radiasi termal, sensor piroelektrik memiliki filmterjepit di antara dua elektroda logam tipis, yang bisa sangat reflektif dalam berbagai spektrum kepentingan . Dalam kasus tersebut , elektroda yang terkena radiasi termalbaik dilapisi dengan lapisan menyerap panas atau terbuat dari nikrom ( logammemiliki absorptivitas tinggi ) . PVDF membuat sensor gerak manusia yang berguna sertasensor piroelektrik untuk aplikasi yang lebih canggih seperti kamera vidicon untuk malamVisi dan sinar laser profil sensor . Sebuah array inframerah padat telah baru-baru inidiperkenalkan yang mengidentifikasi pola sidik jari seseorang menggunakan efek pyro dari piezo yangpolimer . Kopolimer baru dari PVDF , dikembangkan selama beberapa tahun terakhir , telah berkembangaplikasi sensor polimer piezoelektrik . Kopolimer ini mengizinkangunakan pada suhu yang lebih tinggi ( 135◦C ) dan menawarkan diinginkan bentuk sensor baru, seperti silinderdan belahan . Ekstrem ketebalan yang mungkin dengan kopolimer yang tidak bisadengan mudah dicapai dengan PVDF . Ini termasuk ultrathin ( 200A ) pelapis spin-cast yang memungkinkan sensor-on-silikon aplikasi baru, dan silinder dengan ketebalan dindinglebih dari 1.200 m untuk sonar. Kabel Piezo juga diproduksi menggunakan kopolimer.Tidak seperti piezo transduser keramik, piezo Film transduser menawarkan dinamis yang lebarjangkauan dan juga broadband. Karakteristik wide-band (dekat dc ke 2 GHz)dan rendah T yang sebagian disebabkan karena kelembutan polimer '. Sebagai pemancar audio, sebuahmelengkung elemen Film piezo, dijepit di setiap akhir, bergetar dalam panjang (D31) modus. Itukonfigurasi D31 juga digunakan untuk USG udara berkisar aplikasi untuk frekuensisekitar 50 kHz. Ketika digunakan sebagai pemancar ultrasonik yang tinggi (umumnya> 500 kHz),Film piezo biasanya dioperasikan di ketebalan (D33) modus. Transmisi maksimumterjadi pada resonansi ketebalan. Dasar resonansi setengah panjang gelombang 28-um piezoFilm adalah sekitar 40 MHz: nilai Resonance tergantung pada ketebalan film. Mulai darimegahertz rendah untuk film tebal (1000) untuk> 100 MHz untuk film yang sangat tipis (m).Film Piezo memang memiliki beberapa keterbatasan untuk aplikasi tertentu. Itu membuat relatiflemah pemancar elektromekanis bila dibandingkan dengan keramik, terutama padaresonansi dan dalam aplikasi frekuensi rendah. Film kopolimer memiliki operasi maksimum /suhu penyimpanan setinggi 135◦C, sedangkan PVDF tidak dianjurkan untukmenggunakan atau penyimpanan di atas 100◦C. Juga, jika elektroda pada film yang terkena, sensorbisa sensitif terhadap radiasi elektromagnetik. Teknik perisai yang baik tersediauntuk high-elektromagnetik gangguan interferensi / frekuensi radio (EMI / RFI)lingkungan. Tabel 3.1 daftar sifat khas film piezo. Tabel A.8 memberikanperbandingan sifat piezoelektrik dari PVDF polimer dan piezoelektrik populer lainnyabahan keramik. Film Piezo memiliki kepadatan rendah dan sensitivitas yang sangat baik danmekanis sulit. Kepatuhan Film piezo adalah 10 kali lebih besar darikepatuhan keramik. Ketika diekstrusi menjadi film tipis, polimer piezoelektrik dapatlangsung melekat pada struktur tanpa mengganggu gerak mekanik. Piezo

Film ini cocok untuk aplikasi regangan-sensing yang membutuhkan bandwidth yang sangat lebar dansensitivitas tinggi. Sebagai aktuator, impedansi akustik rendah polimer memungkinkanTransfer efisien dari broadband energi ke udara dan gas-gas lainnya.

Efek piezoelektrik adalah sarana utama mengkonversi deformasi mekanikmenjadi sinyal listrik dan sebaliknya di sensor semikonduktor miniatur. Efek,Namun, hanya dapat digunakan untuk mengubah rangsangan berubah dan tidak dapat digunakanuntuk konversi mapan atau sinyal sangat lambat berubah.Karena silikon tidak memiliki sifat piezoelektrik, sifat tersebut dapatditambahkan pada dengan mendepositokan lapisan kristal dari bahan piezoelektrik. KetigaBahan populer kebanyakan seng oksida (ZnO), aluminium nitrida (AlN), dan socalledsistem yang solid-solusi timbal-zirconite-titanium oksida Pb (Zr, Ti) O3 dikenal sebagaiPZT keramik, pada dasarnya bahan yang sama yang digunakan untuk pembuatan piezoelektrik diskritsensor seperti yang dijelaskan sebelumnya.Seng oksida di samping sifat piezoelektrik juga piroelektrik. Itupertama dan paling populer bahan untuk pengembangan sensor akustik ultrasonik,permukaan akustik gelombang perangkat (SAW), microbalances, dan sebagainya. Salah satu keuntunganadalah kemudahan etsa kimia. Film tipis oksida seng biasanya disimpanpada silikon dengan menggunakan teknologi sputtering.Aluminium nitrida merupakan bahan piezoelektrik yang sangat baik karena akustik yang tinggikecepatan dan daya tahan dalam kelembaban dan suhu tinggi. Its sien piezoelektriksien agak lebih rendah daripada di ZnO tetapi lebih tinggi daripada di piezoelektrik film tipis lainnyabahan , termasuk keramik . Kecepatan akustik yang tinggi membuat pilihan yang menarikdalam rentang frekuensi gigahertz . Biasanya , film tipis AlN yang dibuat dengan menggunakandeposisi uap kimia ( CVD ) atau reaktif molekul epitaksi balok ( MBE )teknologi . Namun, kelemahan menggunakan metode deposisi ini adalah kebutuhanuntuk suhu tinggi pemanasan ( hingga 1300◦C ) substrat .ThePZTthin film memiliki koefisien piezoelektrik yang lebih besar thanZnOorAlNandjuga koefisien piroelektrik tinggi , yang membuatnya menjadi calon yang baik untuk fabrikasidetektor radiasi termal . Berbagai macam teknik deposisi tersediauntuk dipelajari , di antaranya adalah elektron - beam penguapan [ 13 ] , frekuensi radio ( RF )sputtering [ 14 ] , ion - beam deposisi [ 15 ] , pertumbuhan epitaksi oleh RF sputtering [ 16 ] ,magnetron sputtering [ 17 ] , ablasi laser [ 18 ] , dan sol - gel [ 19 ] .