BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 SnO2 SnO2 merupakan suatu senyawa ionik, yang non-stoikiometri, karena adanya cacat titik berupa kelebihan atom logam Sn (Stannic). SnO2 banyak dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi karena stabil terhadap perlakuan panas, biaya pendeposisiannya yang relatif murah, dan sifat physicochemical yang baik. Material Oksida SnO2 disebut juga keramik. Kata keramik berasal dari kata Yunani “keramos” yang berarti tembikar (pottery) atau peralatan terbuat dari tanah (earthenware). Bahan keramik adalah bahan dasar penyusun kerak bumi, yaitu: SiO2, Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O dst. Dari unsur-unsur tersebut dapat dilihat terdapat paduan dua unsur yaitu logam dan non logam, sehingga dapat dikatakan keramik adalah bahan padat anorganik yang merupakan paduan dari unsur logam dan non logam yang berikatan ionik dan atau ikatan kovalen. (Wikipedia.com ;2009)
Gambar 2.1 SnO2
Gambar 2.2 Stuktur Kristal SnO2
6
7
Ikatan kelompok bahan, keramik mempunyai titik cair yang tinggi dibandingkan dengan logam atau bahan organik. Biasanya lebih keras dan tahan terhadap perubahan-perubahan kimia. Keramik padat biasanya merupakan isolator sebagaimana pula dengan bahan organik. Pada suhu tinggi dengan energi termal yang tinggi keramik dapat menghantarkan listrik meskipun daya hantarnya rendah dibandingkan dengan logam. Karena tidak memilki elektron bebas kebanyakan bahan keramik tembus cahaya dan merupakan penghantar panas yang buruk. (Van Vlack) 2.2 Metode sol-gel Metode sol-gel (C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-Gel Science) dikenal sebagai salah satu metode sintesis nanopartikel yang cukup sederhana dan mudah. Metode ini merupakan salah satu “wet method” karena pada prosesnya melibatkan larutan sebagai medianya. Pada metode sol-gel, sesuai dengan namanya larutan mengalami perubahan fase menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi mempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol). Bahan-bahan yang biasanya digunakan sebagai katalis adalah urea, polyvinyl alkohol atau asam sitrat. Secara sederhana proses metode sol gel dapat dilihat dalam bagan diatas. Sol-gel yang merupakan proses basah-teknik kimia (Kimia Solusi Endapan) untuk pembuatan bahan (biasanya metal oksida) mulai dari yang baik kimia solusi (sol pendek untuk solusi) atau partikel koloid (sol untuk nanoscale Partikel) untuk menghasilkan jaringan terpadu (gel). Khas precursors adalah
8
logam alkoxides dan chlorides logam, yang mengalami hidrolisis dan polycondensation reaksi untuk membentuk sebuah koloid, yang terdiri dari sistem partikel solid (ukuran mulai dari 1 ke 1 nm, μm) dilarutkan dalam larutan. Sol perkembangan yang kemudian ke arah pembentukan sebuah anorganik terus jaringan yang berisi fase cair (gel). Formasi yang melibatkan logam oksida logam menghubungkan pusat dengan Oxo (MOM) atau hydroxo (F-OH-M) jembatan, sehingga menghasilkan logam-logam atau Oxo-hydroxo Polymers dalam solusi. Proses pengeringan yang berfungsi untuk menghapus fase cair dari gel sehingga membentuk bahan keropos, maka perlakuan panas (pembakaran) dapat dilakukan dalam rangka untuk lebih polycondensation dan meningkatkan properti mekanis. Tanda-tanda sol dapat di deposit baik pada substrat untuk membentuk sebuah film (misalnya menukik atau putaran lapisan-lapisan), dimasukkan ke dalam kontainer yang sesuai dengan bentuk yang dikehendaki (misalnya untuk mendapatkan monolithic keramik, gelas, serat, membranes, aerogels), atau digunakan untuk menyatukan serbuk (misalnya microspheres, nanospheres). Sol-gel dengan pendekatan yang menarik di saat ini telah menjadi murah dan teknik- suhu rendah yang memungkinkan untuk berbagai produk komposisi kimia, bahkan sebagai dopants dalam jumlah kecil, seperti Pewarna organik dan logam langka bumi, dapat diperkenalkan pada sol dan berakhir pada akhir produk halus menghilang. Hal ini dapat digunakan di keramik proses manufaktur, sebagai investasi lemparan bahan, atau sebagai alat produksi sebagai film tipis dari logam oxides untuk berbagai keperluan. Sol-gel berasal dari bahan yang memiliki beragam aplikasi di
9
optik, elektronik, energi, ruang, (bio) sensor, obat-obatan (misalnya obat dikontrol rilis) dan pemisahan (misalnya teknologi kromatografi).
2.3 Gas CO Karbon monoksida, rumus kimia CO, adalah gas yang tak berwarna, tak berbau, dan tak berasa. Ia terdiri dari satu atom karbon yang secara kovalen berikatan dengan satu atom oksigen. Dalam ikatan ini, terdapat dua ikatan kovalen dan satu ikatan kovalen koordinasi antara atom karbon dan oksigen. Karbon monoksida dihasilkan dari pembakaran tak sempurna dari senyawa karbon, sering terjadi pada mesin pembakaran dalam. Karbon monoksida terbentuk apabila terdapat kekurangan oksigen dalam proses pembakaran. Karbon dioksida mudah terbakar dan menghasilkan lidah api berwarna biru, menghasilkan karbon dioksida. Walaupun ia bersifat racun, CO memainkan peran yang penting dalam teknologi modern, yakni merupakan prekursor banyak senyawa karbon. Karbon monoksida merupakan senyawa yang sangat penting, sehingga banyak metode yang telah dikembangkan untuk produksinya. Gas produser dibentuk dari pembakaran karbon di oksigen pada temperatur tinggi ketika terdapat karbon yang berlebih. Dalam sebuah oven, udara dialirkan melalui kokas. CO2 yang pertama kali dihasilkan akan mengalami kesetimbangan dengan karbon panas, menghasilkan CO. Reaksi O2 dengan karbon membentuk CO disebut sebagai kesetimbangan Boudouard. Di atas 800°C, CO adalah produk yang predominan:
10
O2 + 2 C → 2 CO ΔH = -221 kJ/mol Kerugian dari metode ini adalah apabila dilakukan dengan udara, ia akan menyisakan campuran yang terdiri dari nitrogen. Gas sintetik atau gas air diproduksi via reaksi endotermik uap air dan karbon: H2O + C → H2 + CO ΔH = 131 kJ/mol CO juga merupakan hasil sampingan dari reduksi bijih logam oksida dengan karbon: MO + C → M + CO ΔH = 131 kJ/mol 2.4 Sensor Gas Teknologi Thick Film Salah satu jenis sensor gas yang sangat populer adalah sensor gas menggunakan prinsip chemoresistor, yang dapat dibuat menggunakan teknologi film tebal. Sensor gas berbasis teknologi film tebal yang dikembangkan sekarang ini menggunakan sepasang elektroda berbentuk interdigital transducers, yaitu sepasang elektroda pararel yang masing masing mempunyai semacam jari sisir periodik yang keduanya saling berhadapan dan saling bertaut yang dicetak pada keping substrat alumina planar menggunakan teknologi screen printing. Adapun material sensornya dicetak diatasnya, juga dengan menggunakan metode screen
11
printing. Pada dasarnya sensor gas teknologi thick film adalah sensor gas yang bekerja memakai prinsip chemoresistor, dimana konduktifitas sensor akan berubah dengan adanya unsur- unsur kimia (dari gas) yang bekerja pada lapisan sensitif dari bahan semikonduktor (dalam hal ini SnO2 dan In2O3). Perubahan konduktifitas tersebut terjadi karena adanya perpindahan elektron-elektron valensi pada atom-atom material sensor akibat adanya reaksi dengan gas-gas reaktan tersebut. Reaksi yang terjadi antara material sensor dan gas-gas reaktan itu bisa bersifat Oksidasi atau Reduksi.
Gambar 2.3 Konsep sensor gas berbasisi metal oksida
2.4.1
Sensitivitas
2.4.1.1 Sensitivitas pada sensor gas Salah satu masalah dalam pembuatan sebuah sensor adalah sensor harus mempunyai sensitivitas yang cukup memadai. Dalam sensor gas ini, yang nilai resistansnya berubah menurut konsentrasi gas, sensitivitas dinyatakan :
12
Untuk material sensor tipe–n dan gas berupa gas pereduksi :
Ro atau S Rg
S
Ro Ro
Rg
.............................................................................. (2.1)
Untuk material sensor tipe–n dan gas berupa oksidator :
S
Rg Ro
atau S
dengan : S
Rg Ro ........................................................................... (2.2) Ro : Sensitivitas
Ro
: Resistansi sensor pada udara normal (tidak ada gas)
Rg
: Resistansi sensor pada saat ada gas
Sedangkan untuk material sensor tipe-p, definisi sensitivitas diatas menjadi sebaliknya. (Cirera,2000:8) 2.4.1.2 Definisi Grafik pada sensor a. Kepekaan/ Sensitivitas Sensitivitas menunjukkan berapa banyak perubahan tegangan keluaran sebagai akibat dari perubahan dalam Gap antara target dan sensor kapasitif. Nilai sensitivitas umum adalah 1V/0.1mm. Ini berarti bahwa untuk setiap 0.1mm perubahan dalam gap maka tegangan output akan berubah 1V. Ketika tegangan output diplot terhadap ukuran gap dalam mm, kemiringan garis adalah sensitivitas.
13
Gambar 2.4 Kemiringan Grafik Sensitivitas
b. Sensitivity Error Sensitivitas sebuah sensor adalah ditetapkan selama kalibrasi. Ketika sensitivitas menyimpang dari nilai ideal ini disebut sensitivitas kesalahan, kesalahan gain, atau kesalahan scaling. Karena sensitivitas adalah kemiringan garis, kesalahan sensitivitas
biasanya
membandingkan
disajikan
grafik
yang
sebagai ideal
persentase
dengan
kemiringan
kemiringan
Gambar 2.5 Sensitivitas Error
yang
grafik
dan
sebenarnya.
14
c. Offset Error Offset Error terjadi ketika nilai konstan ditambahkan ke tegangan output dari sistem. Sistem sensor kapasitif biasanya bekerja selama pemasangan, menghapuskan setiap penyimpangan offset dari kalibrasi asli. Namun, perubahan offset error untuk sistem ini diperkenalkan ke pengukuran. Perubahan Suhu merupakan faktor utama dalam kesalahan offset.
Gambar 2.6 Offset Error - Sebuah nilai konstan ditambahkan ke semua pengukuran.
d. Linearity Error Sensitivitas dapat sedikit berbeda diantara dua titik data. Variasi ini disebut kesalahan linieritas. Spesifikasi linieritas adalah pengukuran dari seberapa jauh output bervariasi dari garis lurus. Untuk menghitung kesalahan linearitas, data kalibrasi dibandingkan dengan garis lurus yang terbaik sesuai dengan Titik. Garis lurus dihitung dari data kalibrasi dengan menggunakan teknik yang disebut kuadrat terkecil pas. Jumlah kesalahan titik pada kurva kalibrasi yang terjauh dari garis yang ideal adalah kesalahan linieritas. Kesalahan linearitas biasanya dinyatakan dalam persen dari skala penuh. Jika kesalahan pada titik terendah adalah 0.001mm dan kisaran skala penuh dari kalibrasi adalah 1mm, kesalahan linieritas akan menjadi 0,1%. Perhatikan bahwa kesalahan linearitas tidak memperhitungkan kesalahan
15
dalam sensitivitas. Ini hanya ukuran kelurusan garis dan tidak kemiringan garis. A..Sebuah sistem dengan kesalahan sensitivitas kotor bisa sangat linear.
Gambar 2.7 Linearitas Error - Pengukuran data tidak pada garis lurus.
2.4.2 Bentuk Respon Sensor Pada dasarnya, respon sensor gas teknologi thick film ini adalah perubahan nilai konduktans sensor terhadap perubahan konsentrasi gas. Secara umum dinyatakan sebagai:
S
G .............................................................................................. ...(Barsan:5) (2.3) G0 dengan S
: Sensitivitas
G
: Konduktans sensor ketika ada gas pereduksi
G0
: Konduktans sensor ketika tidak ada gas pereduksi.
16
Sesuai statistik Maxwell-Boltzmann, konduktifitas (G) dirumuskan :
G
1
R
en
e
eVs kT
................................................................ (Barsan:5) (2.4)
Dengan adalah bulk mobility dan n adalah konsentrasi elektron. Sedangkan Vs adalah tegangan Schottky barrier, didefinisikan sebagai : V0
VS 1
p
2
....................................................................... (Barsan:5) (2.5)
V0 adalah barrier height pada saat tidak ada gas pereduksi, didefinisikan sebagai :
V0
Sedangkan
2 e N S2 ............................................................................. (Barsan:5) (2.6) ND 1
p
2
merupakan parameter kondisi gas pada konsentrasi,
tekanan dan suhu tertentu. dengan : NS adalah kerapatan di permukaan sensing ( m-2 ), ND adalah konsentrasi donor ( oxygen vacancies ) ( m-3 ) , e adalah muatan elektron (eV) adalah konstanta dielektrik bahan semikonduktor. adalah massa jenis gas (mol/L) p adalah Tekanan Parsial gas (J)
17
Sedang
didefinisikan sebagai :
2 mkT h2
3
2
kT ........................................................................ (Barsan:5) (2.7)
dengan : m = massa gas pereduksi (dalam hal ini CO) h = tetapan planck = 4,134.10-5 eV T = suhu absolut (oK) Dengan menggunakan persamaan (2.8), dan dengan mendefinisikan G0 sebagai konduktifitas sensor pada udara bebas, maka :
G0
e ne
eV0 kT
................................................................................... (Barsan:5) (2.8)
Dari persamaan–persamaan diatas, didapat hubungan persamaan untuk sensitivitas sensor (G/G0) sebagai berikut :
G G0
exp
eV0 1 kT
1 1
p
.................................................. (Barsan:5) (2.9)
Pada saat tidak ada gas (p=0), persaman sensitifitas menjadi bernilai 1 (G/G0=1). Pada konsentrasi gas tinggi (tekanan tinggi), yaitu ketika
(p/ )>>1, maka
sensitivitas mencapai titik saturasi : G G0
e sat .
eV0 kT
................................................................................. (Barsan:5) (2.10)
18
Dari persamaan (2.12) dan (2.13), didapatkan persamaan :
1
G G0
G G0
1 1
c
....................................................................(Barsan:5) (2.11) sat .
Dengan c adalah konsentrasi gas (dalam ppm), (G/G0)sat dan
adalah parameter
yang didapatkan dengan memadukan persamaan dengan data percobaan (Barsan:5). 2.4.3 Mekanisme Kerja Sensor Mekanisme transport listrik pada sensor gas terjadi akibat adanya perubahan konsentrasi muatan dalam material semikonduktor yang disebabkan adanya proses chemisorption yang mengarah pada transfer muatan dari partikel adsorbsi (gas) ke permukaan sensor.
Evac after
e Vs Evac before
(Ec-EF)b
Ec after
before
Ec before EF
e-
Ess
Xads
Xgas
Ev Gambar 2.8 Diagram pita energi dalam proses chemisorption
19
Secara teoritis, transfer muatan dari partikel adsorbsi ke material sensor dapat dipahami dengan mengamati skema pita energi seperti pada gambar 2.8 Pada gambar tersebut diperlihatkan terjadinya interaksi antara partikel tipe aseptor dengan semikonduktor tipe-n. Proses chemisorption tersebut menimbulkan penurunan konduktivitas permukaan
, penaikan band bending e Vs pada
permukaan dan merubah afinitas elektron
. Asumsikan kondisi sebelum
chemisorption adalah kondisi flat band dimana e Vs = 0 sehingga konduktivitas yang terukur adalah konduktivitas bulk = e(
b,nN
+
Konduktivitas permukaan rata-rata
s,n
dan
s,p
b,pP).....................................................(2.12)
ditentukan oleh kontribusi dari mobilitas
dari elektron dan hole dengan konsentrasi
N dan
P
persatuan luas dalam lapisan ruang muatan yang terbentuk akibat adanya proses chemisorption [W.Gopel, 1985]. = e(
s,n
N+
P)..................................................(2.13)
s,p
Konduktivitas yang terukur merupakan penjumlahan dari konduktivitas permukaan = e(
dengan konduktivitas bulk s,n
N+
s,p
P) + e(
b,nN
+
b. b,pP)...........................................(2.14)
Jika struktur elektronik dari bulk dengan konsentrasi elektron bebas, hole dan muatan –muatan cacat titik diketahui, maka dengan menggunakan persamaan poisson kita dapat menentukan band bending e Vs dan muatan per satuan luas Qsc dalam lapisan ruang muatan. Muatan parsial
dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan : = Qsc/ens............................................................(2.15)
20
dengan ns adalah konsentrasi spesies adsorbsi. Dari hasil eksperimen dapat ditentukan perubahan fungsi kerja
dan
perubahan band bending e Vsyang dapat mengarahkan kita pada perkiraan perubahan afinitas elektron
dari persamaan: = - e Vs +
+ (Ec-EF)b...................................(2.16)
Asalkan variasi posisi level Fermi dalam bulk (Ec-EF)b dapat diabaikan, jika difusi atom atau ion pada bulk diabaikan. Dengan mengetahui momen dipole ad
, kita dapat mengetahui perubahan afinitas elektron = e(
dengan persamaan:
-1 ad ns..........................................................(2.17) s 0)
Pada umumnya, perubahan resistivitas material sensor ketika bereaksi dengan gas dipengaruhi oleh reaksi atom – atom oksigen di udara dengan atom – atom oksigen di permukaan lapisan sensor. Reaksi ini merubah potential barrier antar ikatan atom. Reaksi diawali ketika lapisan material sensor mengikat oksigen dari udara, oksigen tersebut menjadi bermuatan negatif sehingga terbentuk potential barrier yang disebut Schottky barrier. Ketika ada gas (misal: gas CO), maka gas ini akan bereaksi dengan oksigen yang telah terikat pada permukaan lapisan sensor (CO+O2-
CO2+2e-) yang mengakibatkan perubahan Schottky barrier. Dengan
mengacu pada persamaan reaksi kesetimbangan antara gas CO dan SnO 2, yang merupakan reaksi antara atom – atom O2 di permukaan dengan molekul – molekul CO dari udara, yaitu : SnO2+2CO 2Sn+2CO2+2e
21
Pada umumnya, sinyal respon sensor (bertambah atau berkurangnya nilai resistans) ditentukan menurut jenis material sensor dan gas yang disensor. Untuk gas, digolongkan menjadi gas pengokidasi dan gas pereduksi, sedangkan untuk material sensor dapat diklasifikasikan menjadi material tipe–p atau tipe-n sesuai dengan respon sinyalnya. Pada material tipe-p, nilai resistans akan bertambah ketika bereaksi dengan gas pereduksi., dan resistansi akan berkurang terhadap gas pengoksidasi, hal ini berlaku sebaliknya terhadap material tipe-n (Cirera,2000:29). Sensitive layer atau lapisan material sensor merupakan bagian yang berinteraksi langsung dengan gas, yang reaksi elektrokimia terjadi di permukaannya. Lapisan ini terbuat dari bahan SnO2, yaitu bahan metal oxide tipen yang sensitif terhadap molekul – molekul gas pereduksi.
Gambar 2.9 Mekanisme pendeteksian gas oleh lapisan metal oksida
Terjadinya akses oleh partikel metal oksida bagian dalam terhadap gas. Hal ini bisa dipahami dengan menganggap terjadinya reaksi antara gas dengan permukaan metal oksida sebagai sebuah proses difusi ke arah substrat (bulk) dari
22
divais sensor. Parameter yang berpengaruh diantaranya adalah ukuran porositas dan ketebalan lapisan metal oksida. 2.4.4
Bagian Bagian Sensor
Gambar 2.10 Struktur Sensor Gas Teknologi Film Tebal Sumber : Weimar,2003
Secara garis besar, sensor gas teknologi thick film ini tersusun atas sepasang elektroda, pemanas dan sensitive layer yang peka terhadap rangsangan gas, yang kesemuanya dicetak pada kepingan substrat dari bahan alumina (Al 2O3) 96%, dengan struktur seperti dalam Gambar 2.10 Substrat Material utama yang digunakan dalam teknologi film tebal adalah substrat dan
pasta.
Substrat
merupakan
media
tempat
komponen
film
tebal
diimplementasikan, sedangkan pasta adalah bahan pembentuk komponen film tebal, yang diformulasikan sedemikian rupa sehingga dapat dibentuk melalui proses pencetakan. Substrat yang digunakan biasanya adalah dari Alumina yang memiliki keunggulan dalam hal kekuatan fisik, sifat-sifat listrik, serta sifat-sifat thermis. Kemurnian keramik alumina yang digunakan antara 95%-96%,
23
sedangkan 4%-6% biasanya berupa campuran antara kalsium, magnesium, dan silica yang ditambahkan untuk meningkatkan reaktifitas alumina pada proses terbentuknya ikatan antara substrat dengan thick film. Alumina dengan kemurnian 99% jarang digunakan karena permukaannya terlalu halus, sedangkan adhesi yang lebih kuat akan terbentuk justru pada permukaan kasar. Sebagai media tempat komponen direalisasikan, suatu substrat harus memenuhi beberapa kriteria berikut ini : A.
Kekuatan mekanik
Substrat harus dapat melindungi komponen yang ditempatkan di atasnya, tidak mudah patah atau berubah bentuk. B.
Tahan suhu tinggi
Pasta-pasta film tebal tertentu membutuhkan pemprosesan pada suhu tinggi. Karena itu substrat yang digunakan harus tahan pada suhu tersebut tanpa mengalami perubahan. C.
Inert
Selain suhu tinggi, pada proses pabrikasi film tebal, substrat berhadapan dengan berbagai bahan kimia, baik yang berasal dari pasta atau efek samping pemprosesan. Substrat tidak boleh bereaksi dengan bahan-bahan kimia tersebut. D.
Resistivitas
Substrat harus merupakan isolator elektrik yang baik, dengan kata lain harus memiliki resistivitas yang sangat tinggi.
24
E.
Konstanta dielektrik
Konstanta dielektrik substrat harus serendah mungkin, untuk menghindari efek kapasitas parasitik yang mungkin timbul antar penghantar atau antar komponen. F.
Konduktifitas termal
Substart yang baik harus bersifat konduktor panas untuk mengurangi pemanasan lokal yang diakibatkan disipasi oleh komponen tertentu.
Elektroda Elektroda yang digunakan pada sensor gas film tebal pada umumnya adalah sepasang elektroda berbentuk interdigital electrodes dari bahan nobel metal semisal Au/Ag. Struktur tersebut dimaksudkan untuk meminimalisasi ruang namun dapat mengoptimalkan daerah sensing, serta memudahkan dalam penentuan nilai resistans. Penentuan nilai resistans pada elektroda ini sama dengan penentuan nilai resistans resistor pada teknologi film tebal pada umumnya. Karena konstruksi yang mempunyai sudut, maka cara perhitungan nilai reistansi dapat dilihat dalam Gambar 2. 11 dan persamaan (2.18).
Gambar 2.11 Perhitungan Nilai Resistans Elektroda Sumber : Haskard,1988:102
25
RAB
l1 l2 0.56 Rs ...................................................(Haskard:102) (2.18) w w
dengan: RAB adalah nilai resistans total (Ω) Rs adalah lembar resistans (Ω/sq) l adalah panjang jalur konduktor (mm) w adalah lebar jalur konduktor (mm). Adapun stuktur yang biasa digunakan adalah seperti dalam Gambar 2.12
Gambar 2.12 Elektroda Sensor Gas Film Tebal Sumber : Weimar,2003
Heater Temperatur adalah salah satu faktor terpenting yang menentukan keberhasilan dari sensor yang bersifat chemoresistive. Distribusi temperatur yang sesuai akan mempengaruhi tingkat selektifitas dan sensitifitas dari elemen sensor ini. Dalam pemanas (heater) teknologi film tebal untuk sensor gas, umumnya dibuat dari pasta konduktif atau resistif (Au,Pt), namun ada juga yang memakai bahan dielektrik jenis polymer . Umumnya heater dirancang di sisi belakang substrat (berkebalikan dengan elemen sensor). Sehingga nilai resistans dari
26
lapisan aktif (yang merupakan parameter utama yang menunjukkan sensitifitas sensor) sangatlah tergantung dari distribusi suhu, hal ini juga ditunjang oleh sifat substrat sebagai penghantar suhu yang sangat baik. Salah satu contoh bentuk dari heater teknologi film tebal dapat dilihat dalam Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Heater sensor Gas Film Tebal Sumber : Weimar,2003
Untuk menentukan karakteristik dari heater, parameter – parameter yang harus diperhatikan diantaranya adalah: suhu yang diinginkan, daya yang dibutuhkan, dan luasan daerah yang ingin dipanasi, serta karakter dari bahan heater itu sendiri (TCR, disipasi arus maksimum yang mampu melewati, dll). Untuk itu, langkah - langkah yang ditempuh adalah sebagai berikut: Yang pertama dengan menentukan temperatur, dan daya yang diinginkan.
P VxI .............................................................................................................. (2.19) RH RC
TCR
RC TH
106 .................................................................................. (2.20) TC
dengan :
P
: Daya rata – rata (W)
V
: Tegangan sumber (V)
27
I
: Arus heater (A)
TCR
: Temperature Coefficient Resitance (oC)
RH
: Resistans pada suhu operasi (Ω)
RC
: Resistans pada suhu acuan (Ω)
TR
: Suhu operasi (oC)
TC
: Suhu acuan (oC)
Dengan menentukan daya P dan arus I, maka nilai RH didapat dengan :
RH
V ................................................................................................... (2.21) I
Selanjutnya dengan menentukan nilai TCR dari data sheet, suhu acuan TC dan suhu operasi TH, serta memasukkan hasil persamaan (2.20) ke persamaan (2.21), maka akan didapat nilai RC. Setelah nilai RC didapat, maka dapat ditentukan dimensi dari heater dengan mengacu pada persamaan berikut :
RC
RS
l ................................................................................................ (2.22) w
dengan : RS adalah nilai lembar resistans
(Ω/sq)
l adalah panjang koduktor heater (mm) w adalah lebar konduktor heater (mm)
28
Selanjutnya dengan menentukan nilai w, maka nilai l akan didapat, dan juga total area l x w yang menentukan nilai power density dari heater (ElectroScience Laboratory.com;2004). Sebagai catatan nilai maksimum power density yang diijinkan adalah 40 W/mm2, namun pada kasus tertentu bisa sampai 100 W/mm2 (Haskard,1988:98). Lapisan Sensitif Sensitive layer atau lapisan material sensor merupakan bagian yang berhubungan langsung dengan gas, dimana reaksi elektrokimia terjadi di permukaan lapisan ini. Lapisan ini terbuat dari bahan SnO2, yaitu bahan metal oxide tipe-n yang mempunyai celah energi yang relatif lebar (3.6 eV) (Hann,2003:15).
Gambar 2. 14 Gambar Pita Energi Atom SnO2 Sumber: Hann,2003:15
29
Dimensi dari lapisan ini (yang mewakili konsentrasi SnO2) akan menentukan jangkauan pengukuran sensor. Adapun teori penentuan dimensi lapisan sensor adalah sebagai berikut : Hal pertama adalah menentukan jangkauan pengukuran maksimal dari dari sensor dalam satuan ppm. Karena pada proses ini yang terjadi adalah reaksi gas, maka satuan ppm dirubah menjadi mol/L. Dengan menganggap gas adalah gas pada kondisi ideal, persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut : mol
L
ppm
1mol ...................................(www.scottecatalog.com) (2.23) 24 ,15 L
Dengan mengacu pada persamaan reaksi kesetimbangan antara gas CO dan SnO2, yaitu XO2+2YO 2X+2YO2+2e , maka dapat diketahui perbandingan molaritas antara gas gas pereduksi dan SnO2. Dengan mengacu pada persamaan (2.21) maka mol SnO2 akan didapat. Selanjutnya massa dari SnO2 didapat dengan persamaan :
n
m ..................................................................................................... (2.24) M
dengan : n : molalitas
( mol )
m: massa
( gram )
M: Molaritas ( gram/mol )
30
Selanjutnya dengan melihat density ( ρ ) dari data material didapat dimensi (volume) dari lapisan sensor, menggunakan persamaan: m ...................................................................................................... (2.25) V
dimana : ρ : density / massa jenis
( gram/volume )
m : massa material
( gram )
V : Dimensi / volume
( satuan volume )
Dengan menentukan tebal lapisan, maka luas dari lapisan sensor akan diperoleh.
2.4.5 Teknologi Thick Film Teknologi film tebal adalah suatu teknologi penyambungan komponen elektronika menggunakan bahan pasta konduktif, resistif atau induktif yang dikerjakan pada substrat keramik. Pengerjaan dilakukan melalui suatu proses berulang-ulang mulai dari cetak sablon, pengeringan dan pembakaran pada suhu tinggi. Proses pembakaran dengan suhu tinggi menghasilkan struktur yang stabil dan
kuat
dengan
daya
kerja
elektris
dan
termis
yang
sempurna
[http://www.elektroindonesia.com]. Teknologi film tebal terdiri atas sejumlah proses yang diulang beberapa kali dengan urutan tertentu. Prosesnya meliputi pembuatan screen, pencetakan dan pembakaran. Pada proses standar ini ditambahkan juga proses pembersihan, penyolderan, pengujian dan pengemasan [http://www.elektroindonesia.com].
31
Senyawa Pembentuk Pasta Konduktor Pasta konduktor yang dikeluarkan pabrik merupakan hasil campuran dari berbagai senyawa. Susunan atau komposisi senyawa pembentuk pasta merupakan rahasia pabrik. Tetapi pada umumnya pasta konduktor disusun dari tiga senyawa utama, yaitu [ http://www.elektroindonesia.com] : a. Partikel-partikel Logam atau Paduan Logam Partikel-partikel ini merupakan komponen utama pembentuk lapisan konduktor. Logam yang digunakan harus tahan terhadap suhu tinggi. Untuk itu, digunakan logam mulia. b. Senyawa Gelas Senyawa gelas berfungsi sebagai pengikat partikel-partikel logam serta pembentuk lapisan yang memungkinkan penempelan partikel-partikel logam pada substrat. Senyawa gelas yang sering digunakan antara lain, yaitu: Bismuth Oksida, Cadmium Oksida dan Timbal Borrosilikat. c. Senyawa Organik Senyawa organik dalam pasta berfungsi sebagai senyawa yang memberikan sifat fluida pada partikel-partikel logam dan senyawa gelas. Dengan terbentuknya sifat fluida, maka pasta dapat dicetakan pada substrat dengan metode screen printing. Senyawa organik yang biasanya digunakan antara lain, yaitu: terpenten dan resin. Jenis Pasta Konduktor Pasta konduktor yang digunakan untuk membentuk sistem dengan teknologi film tebal dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan sistem logam pembentuknya, yaitu sistem logam tunggal dan sistem logam paduan.
32
a. Sistem logam tunggal Sistem logam tunggal yang digunakan dalam pembentukan pasta konduktor ini merupakan sistem yang pertama kali dibuat oleh pabrik pada awal kemunculan teknologi ini. Logam yang pertama kali dipergunakan dalam membentuk pasta adalah logam Perak dan hingga kini masih banyak dipergunakan karena harganya murah, daya lekatnya tinggi dan mudah disolder. Dan kelemahan Perak adalah ion-nya mudah mengalami migrasi. b. Sistem logam paduan Untuk mendapatkan sistem pasta dengan harga yang lebih murah dan kemampuan yang tidak kalah dari sistem logam tunggal, maka diusahakan pembuatan pasta dengan sistem logam paduan. Sistem logam paduan yang hingga kini telah dikembangkan antara lain, yaitu: Platina-Emas, Palladium-Perak, Palladium-Emas dan lain-lain. Pencetakan Konduktor Dalam pembuatan konduktor ini digunakan pasta konduktor PalladiumPerak. Logam Perak dipergunakan karena harganya murah, daya lekatnya tinggi dan mudah disolder. Kelemahan Perak adalah ion-ion Perak dapat mengalami migrasi membentuk dendrit sehingga dapat menyebabkan hubungan dengan jalur lain. Untuk mengurangi kelemahan Perak, maka dilakukan pencampuran Perak dengan Palladium. Dengan pencampuran Palladium, maka sifat migrasi ion Perak dapat dikurangi dan harga pasta yang dihasilkanakan lebih murah. Tetapi sebagai akibat buruk pencampuran Palladium dalam Perak adalah semakin besarnya harga resistansi dari konduktor yang dihasilkan [http://elektroindonesia.com].
33
Penyaputan berfungsi untuk memindahkan pasta ke atas substrat dengan cara menekan pasta pada screen. Tegangan permukaan akan menahan pasta pada substrat saat posisi screen kembali ke keadaan semula. Karena itu bentuk, bahan dan tekanan penyaput sangat penting untuk menjamin umur penyaput dan screen. Bahan yang digunakan sebagai penyaput adalah neoprene, polyrethane, dan viton. Posisi penyaput harus menjadikan sisi tajam membentuk sudut 45° sampai 60°terhadap permukaan screen. Fungsi Konduktor Film Tebal Fungsi konduktor dalam rangkaian elektronika yang memanfaatkan teknologi film tebal adalah [http://www.elektroindonesia.com] : a. Jalur Interkoneksi Biasanya konduktor berfungsi untuk memindahkan sinyal dari bagian yang satu ke bagian yang lain. Untuk melakukan fungsi tersebut maka konduktor harus mempunyai daya hantar yang cukup baik b. Terminal untuk Resistor Konduktor mempunyai fungsi sebagai terminal resistor yang akan turut menentukan dimensi resistor. Yang perlu diperhatikan adalah bahan konduktordan bahan resistor harus mempunyai daya ikat yang cukup baik. c. Konduktor Tempat Penyolderan Lead (Pad) Dalam suatu sistem elektronika yang kompleks biasanya terdiri atas gabungan antara sistem yang satu dengan sistem yang lain. Untuk menghubungkan antara sistem yang satu dengan sistem yang lain tersebut, maka diperlukan kaki(lead). Dalam suatu sistem yang dibuat dengan teknologi hibrida film tebal, maka kaki
34
ini dilekatkan pada konduktor yang terletak di tepian substrat. Konduktor tempat menempelnya kaki tersebut biasanya disebut dengan pad. d. Konduktor untuk Crossover Dalam suatu sistem elektronika yang kompleks biasanya terjadi jalur konduktor yang satu harus bersilangan dengan jalur konduktor yang lain tanpa ada kebocoran sinyal. Untuk mencegah kebocoran sinyal, maka dibutuhkan penyekatan dengan bahan dielektrik di antara kedua jalur konduktor yang bersilangan tersebut. Lapisan penyekat tersebut biasanya disebut crossover. e. Elektroda Kapasitor Kapasitor dalam teknologi film tebal dapat dibuat dengan jalan membuat lapisan konduktor sebagai lapisan dasar atau lapisan pertama, kemudian diikuti dengan membuat lapisan dari bahan dielektrik dan kemudian dilapisi lagi dengan konduktor sebagai lapisan ketiga. f. Konduktor Tempat Mengikatkan Chip Komponen aktif dalam bentuk chip seperti transistor, dioda atau IC seringkali dipasangkan pada substrat dengan cara pengikatan menggunakan kawat emas. Konduktor yang digunakan adalah dengan kadar emas tinggi sehingga menghasilkan ikatan yang baik dengan kawat emas. g. Konduktor untuk Membuat Resistor dengan Harga Rendah Untuk membuat resistor film tebal dengan harga rendah, maka dapat digunakan konduktor. Konduktor yang dibuat berbentuk labirin.
35
h. Konduktor untuk Pengepakan (Packing) Salah satu cara untuk melindungi rangkaian hybrids-IC dari kondisi lingkungan ialah dengan menutup rangkaian tersebut dengan tutup yang terbuat darilogam. Tutup logam disolderkan pada substrat yang terlebih dahulu diberi lapisan konduktor di sekelilingnya. Teknologi
film
tebal
memiliki
banyak
keuntungan,
antara
lain
[http://www.elektroindonesia.com] : a. Daya hantar termal tinggi (96% alumina) = 0,890 W/(oC*in) b. Daya kerja RF dan frekuensi yang sempurna c. Konstanta dielektrik (96% alumina) = 9,5 ± 0,2 (1 kHz - 10 GHz) d. Memperkecil nilai impedansi pertautan jaringan e. Meningkatkan densitas f. Mengurangi ukuran dan berat
Screen Screen merupakan tenunan berlubang-lubang yang terbuat dari serat. Fungsi screen adalah sebagai tempat pembentukan pola yang akan dicetak dan menentukan ketebalan pasta yang dilekatkan. Serat yang digunakan untuk membentuk jaring-jaring suatu screen terbuat dari berbagai macam bahan. Tiga jenis bahan yang sering digunakan adalah polyester, nylon,dan stainless steel. Ukuran screen yang digunakan adalah 200-300 mesh. Syarat-syarat rangka screen yang utama : a.Tidak berubah bentuk dalam segala temperatur.
36
b. Rangka screen harus bebas dari permukaan-permukaan yang kasar dan benjolan-benjolan benda yang tajam. c. Bagian rangka screen yang bertemu dengan gasa screen harus halus dan licin. d. Pada bagian sudut-sudut rangka screen harus agak bulat. f. Rangka screen tidak berubah dalam keadaan basah atau dalam keadaan kering. g. Tahan terhadap bahan-bahan kimia yang digunakan dalam proses pencetakan.
Screen Mask
1. Screen mask terdiri dari kerangka, dan screen mask yang ditarik dan dilekatkan pada kerangka. 2. Emulsi sensitive cahaya yang dilapiskan pada screen. 3. Dengan proses pemanasan menggunakan sinar dengan panas tertentu, lapisan emulsi akan hilang dari bagian yang tertutup film sablon. Sinar yang digunakan pada umumnya sinar matahari. 4. Dalam proses pencetakan, pasta melewati screen melalui daerah yang tidak terlapis emulsi dan ditahan oleh area yang dilapisi emulsi.
2.4.6 Resistor Film tebal Resistans resistor berbanding lurus dengan resistivitas bahan (ρ) dan panjang (l) serta berbanding terbalik dengan luas penampang (A) yang tegak lurus arah aliran arus. Secara matematis dapat dituliskan sebagai:
R
l ................................................................................................... (2.26) A
37
ρ : resistivitas ( mm)
dengan:
l : panjang resistor (mm) A : luasan yang tegak lurus arah aliran arus (mm2) R : resistans ( ) Luas penampang (A) yang tegak lurus arah aliran arus resistor merupakan perkalian ketebalan film (t) dengan lebar (w). Pernyataan tersebut dapat ditulis dengan persamaan:
A t w ................................................................................................... (2.27) A : luasan yang tegak lurus arah aliran arus (mm2)
dengan:
t : tebal resistor (mm) w : lebar resistor (mm) Subtitusi persamaan (2.25) ke persamaan (2.24) memberikan hasil sebagai berikut:
R
l t w
................................................................................................ (2.28)
dengan : Rs
t
...................................................................................... (2.29)
Maka persamaan (2.26) menjadi:
R
Rs
l ................................................................................................. (2.30) w
38
dengan:
R : resistans resistor(Ω) Rs : resistivitas dari pasta ( mm) t
: ketebalan (mm)
l
: panjang resistor (mm)
w : lebar resistor (mm) Konstruksi resistor film tebal bisa dilihat dalam Gambar 2.15
Gambar 2.15 Gambar Konstruksi Resistor Sumber: Haskard,1984:140
39
2.5 Metode Hein
Untuk menentukan ukuran butir maka digunakan metode Hein yaitu dengan menggunakan persamaan seperti berikut:
L
nL v pk
.......................................................................(2.31)
Keterangan: L = Ukuran butir (µm)
n = Banyaknya garis L = Panjang garis v = Perbesaran SEM
pk
= Banyaknya butir
