Sensor Piezoelektrik

Perubahan variasi sifat material dapat ditinjau sebagai gambaran umum dari hubungan antara sifat kimia dengan sensor. Masa dan kecepatan adalah sifat yang penting untuk sensor piezoelektrik. Oleh karena itu microbalances dan microviscometers, menggunakan kristal piezoelektrik, dinyatakan sebagai suatu sistem sensor. Kompresi dari suatu kristal quartz menghasilkan suatu potensial listrik. Satu prinsip yang dapat meninjau efek ini untuk membangkitkan gelombang akustik pada bendap padat dengan mengaplikasikan potensial listrik bolak-balik ke suatu material piezoelektrik ditunjukkan pada gambar 1. Gelombang akustik, khususnya frekuensi dan resonant resistance, sangat dipengaruhi oleh kondisi batas yang dibentuk oleh dimensi fisik dari alat dan oleh sifat fisik dari material disepanjang lintasan gelombang.

Gambar 1. Prinsip kerja sensor piezoelektrik

Sensor piezoelektrik adalah peralatan elektronik pasif berfase padat (solid-state) yang dapat merespon perubahan temperature, tekanan, dan yang paling penting merespon sifat fisik (physical properties) pada suatu interface  antara permukaan alat dan fluida atau padatan asing. Perubahan pada sifat fisik antara lain seperti masa jenis, kelistrikan, viskositas, dan ketebalan lapisan. Sensor piezoelektrik beroperasi dengan mengobservasi penyebaran dari suatu gelombang akustik melalui solid-state device. Deteksi sensor dilakukan dengan meninjau korelasi variasi penyebaran gelombang akustik ke sejumlah perekam analyte pada permukaan dan kemudian ke konsentrasi analyte di dalam sampel yang tertangkap sensor atau dikorelasikan dengan perubahan pada sifat fisik dari interfacial thin films.

Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segmen 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. Pada kesempatan ini kelompok kami akan mencoba menjelaskan mengenai piezo sensor yaitu “Vibration Sensor” Piezoelektrik. 

Gambar 2. Piezo Vibration Sensor

Sensor pada gambar 2 dirancang dengan bahan yang disebut PVDF (Polyvinylidene Fluoride) film / plastik 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, serta sensor ini memiliki ukuran dan bentuk sangat fleksibel, dengan kata lain dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan.

Salah satu kelemahan dari sensor piezoelektrik adalah sensor tersebut tidak dapat digunakan untuk pengukuran yang benar-benar statis. Sebuah gaya statis akan menghasilkan jumlah nilai yang tetap pada bahan piezoelektrik. Ketika bekerja dengan pembacaan elektronik konvensional, bahan isolasi tidak sempurna dan pengurangan dari perlawanan sensor internal akan berakibat pada hilangnya konstan elektron serta menghasilkan penurunan sinyal. Peningkatan suhu menyebabkan penurunan tambahan dalam resistansi internal dan sensitivitas. Efek utama pada efek piezoelektrik adalah dengan meningkatnya beban tekanan dan suhu, sensitivitas berkurang karena twin-formation. Sementara sensor kuarsa perlu didinginkan selama pengukuran pada suhu di atas 300 ° C, jenis khusus dari kristal seperti fosfat galium (GaPO₄) tidak menunjukkan formasi kembar sampai titik leleh bahan itu sendiri.

Mekanisme

Sifat efek piezoelektrik berkaitan erat dengan terjadinya momen dipol listrik dalam padatan. Efek tersebut juga dapat dirangsang untuk ion di situs kisi kristal dengan lingkungan yang asimetris (seperti dalam BaTiO₃ dan PZTs) atau langsung dapat dilakukan oleh kelompok-kelompok molekul tertentu. Kepadatan dipol atau polarisasi (cm/m³) dengan mudah dapat dihitung untuk kristal dengan menjumlahkan momen dipol per volume sel satuan kristal. Dipol yang dekat satu sama lain cenderung berpihak di daerah yang disebut Weiss domain. Domain biasanya berorientasi acak, tetapi dapat disejajarkan selama poling (tidak sama dengan poling magnet), yaitu proses dimana suatu medan listrik yang kuat diterapkan di seluruh material, biasanya pada suhu yang tinggi.

Penting untuk menentukan efek piezoelektrik adalah karena perubahan polarisasi yang terjadi sebagai akibat dari pembebanan (stress) mekanik. Piezoelektrik tidak disebabkan oleh perubahan densitas muatan di permukaan, tetapi dengan kepadatan dipol dalam bulk. Misalnya, 1 cm³ kubus kuarsa dengan 2 kN (500 lbf) gaya diberikan dapat menghasilkan tegangan 12.500 V. Bahan piezoelektrik juga menunjukkan efek sebaliknya. Disebut efek piezoelektrik dimana aplikasi dari suatu medan listrik menciptakan deformasi mekanik dalam kristal.

Sensor piezoelektrik memiliki 2 jenis bahan, yaitu PVDF dan Copolymer (Keramik). Berikut adalah perbedaan antara kedua bahan tersebut :

Tabel 1. Perbedaan antara dua jenis bahan penyusun sensor piezoelektrik.

 

• Aplikasi

Aplikasi terkini dari sensor piezoelektrik yang juga sedang dikembangkan oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia adalah penggunaan sensor piezoelektrik untuk menentukan lokasi kerusakan dini pada komponen mesin melalui analisa penjalaran gelombang tegangan (emisi akustik). Aplikasi ini lebih lanjut akan dapat mengatasi permasalahan menentukan kerusakan dini pada komponen mesin melalui pelacakan terhadap gelombang emisi akustik (Acoustic Emission = AE) yang berasal dari terlepasnya energi dalam karena disintegrasi struktur komponen mesin tersebut akibat kegagalan mikroskopik yang terjadi. Kerusakan dini adalah terjadinya kegagalan sangat awal pada struktur komponen mesin yang merupakan cikal bakal inisiasi kerusakan.

Pada saat terjadi disintegrasi antara butir butir material satu komponen mesin yang pejal, maka akan terlepas energi dalam bentuk penjalaran tegangan berupa gelombang AE ke segala arah dalam material pejal tersebut. Fenomena disintegrasi ini telah diterangkan sebagai terjadinya asal dari inisiasi kerusakan yang kemudian akan berkembang sebagai pertumbuhan retakan mikroskopik sampai pada akhirnya menjadi kerusakan dari komponen mesin tersebut. Selanjutnya dengan memahami karakteristik penjalaran gelombang emisi akustik ke segala arah didalam material pejal komponen mesin, maka dengan menggunakan beberapa buah sensor deteksi vibrasi piezoelektrik dapat  dilakukan penangkapan gelombang tersebut dari beberapa titik pengukuran  atau observasi. Dengan teknik semacam global positioning system terhadap sinyal gelombang emisi akustik yang ditangkap di tempat berbeda secara simultan, maka dapat ditentukan lokasi kerusakan dini dengan akurasi yang cukup memadai.

 

Skema rangkaian instalasi sensor piezoelektrik jenis piezoceramic pada benda uji berupa material dengan bentuk pelat