209
PENGUJIAN TANGGAPAN BEBERAPA JEI.{IS SENSOR RESONATOR KUARSA SEBAGAI PENGIDENTIFIKASI UAP ETANOL Muhammad Rivai. ABSTRAK Sebuah sistem sensor gas/uap beraroma dikehendaki unfuk pemakaian pada ragam bidang yang luas. para peneliti saat ini telah mengembangkan sebuah sistem sensor uap beraroma d".rgan sebuah deret sensor resonator kuarsa. Makalah ini menggambarkan sistem pengukuran frekuensi vang tiiro;;uterisasi untuk menguji sebuah deret sensor resonator kuarsa terhadap uap etanol. Empat buah resinator kuarsa 10 MHz yang dilapis dengan bermacam selaput sensitif digunakan sebagai sistem sensor. penyerapan uap etanol akan menurunkan frekuensi sensor sebanding dengan konsentrasinya. semakin tinggi suhu uap, tanggapan sensor semakin tak stabil.
*.ngg*^i*
ABSTRACT An odor-sensing system is desirable for use in a broad variety of fields. The present authors have developed an odor sensing system using a quartz-resonator sensor array. This paper describes the computerized frequency measurement system for testing a quartz-resonator sensor array to ethanol vapor. Four l0 MHz quurt" ."ao*to* covered with various sensitive membranes are used as the sensory system. The adsorption of molecule will decrease the sensor frequency proportionally to its concentration. The higher temperafure of vapor, the more
unstable sensor's response was.
1. PENDAHULUAN Untuk mendeteksi jenis gas,
biasanya orang
memakai teknik kromatografi gas dan spektrometrimassa, tetapi cara ini relatif sulit dan mahal serta dalam beberapa kasus kurang sensitif. para peneliti
telah menyelidiki untuk memakai teknologi sensor
gas yang baru, yaitu peralatan SAW
(surface
accoustic wave) dan piezoelektrik (kuarsa). Kedua peralatan ini bertindak sebagai neraca-mikro, karena saat suatu gas atau bahan kimia bereaksi dengan sensor sering akan menghasilkan suatu perubahan massa total yang akan mengubah nilai suatu
par:rmeter sensof tersebut.
Masalah utama peralatan SAW adalah stabilitasnya yaag buruk, ketergantungan yang tinggi terhadap suhu dan sangat sensitif terhadap kelembaban. Sensor kuarsa sering dipakai sebagai sensor uap beraroma karena mempunyai sensitivitls yang tinggi dibanding jenis sensor gas lainnya (Gardner 1994,
King $e\"
Identifikasi bermacam
-
Yokohama 1989, Ide dkk. 1994a, Ide dkk. 1994b).
2.
PRINSIP SENSOR
Sensor resonator kuarsa terdiri dari sebuah resonator
kuarsa yang dilapisi membran sensitif. Sensor ini di
dalam osilator bertindak sebagai resonator
pada
frekuensi tertentu. Frekuensi resonansi menurun saat molekul gas teradsorbsi pada membran dan frekuensi tersebut kembali ke keadaan normal setelah moletul tersebut mengalami proses deadsorbsi. Fenomena ini
disebut efek pembebanan massa (mass_loading
effeo) (King 1964). prinsip dasar sensor dinmjukkan pada Gambar 1. Perubahan frekuensi AF (Hz) sebanding dengan massa total molekul uap yang teradsorbsi, diberikan oleh persamaan Sauerbrey:
aroma
memerlukan bermacam sensor kuarsa yang dilapis * Jurusan Teknik Elektro FTI
dengan membran sensitif yang mempunyai karakleristik berbeda (Carby dkk. 19g5, Ema dan
AF = -2,3x106 x
F2
*Lil'! A
(1)
ITS
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK
210
molekul gas
[---l ; oSC 9-
metal
ri
,-,,-
membran prinsip Gambar 1" dasar sensor.
dengan
F
adalah frekuensi resonansi dasar (MHz),
AM massa total molekut uap yang-i.r*rr"p (g), dan A luas erektroda (cm'). Daram pJrcobaan ini sensor T*:1 yang digunakan mempu"y.i rr.mrnsi dasar
l0
Mhz berdasarkan uru*ri ffi;; penggunaan frekuensi ini sudah sensitif ,t"n ,".pu nyai noise
yang kecil (Ide
dkk.
1994a,
King 196a). Untuk dapat
mengidentifikasi bermacam gas beraroma digunakan beberapa sensor, yang dilapis dengan membran sensitif yang berkarakteristik berbagai berbeda. Perubahan frekuensi *.ring_rnu.ing"r.uro, membentuk suatu pora karalteristik"tertentu akan untuk setiap yang berbeda. Jenis me*U..n sensitif -uap yang digunakan disini acrarah: enoipnatraic acid,
Le c it hi n, Cho
I e s t e r o I, aan f no p s at i all{e tha no I ami ne, y".ng umum digunakan sebigai pengidentifikasi alam yan_g rnudah ,i.ng*p (Ema Tilylk dan yokohama 1989, Id; dkk. 1994;J."D"*v
3.
SISTEM PENGUJI TANGGAPAN SENSOR
Sistematika peralatan elektronik untuk mengukur frekuensi pada percobaan ini O,ruriuf.t"n pada Gambar 2 (Benyarnin dan ni".i
rd6l.
Masing_ masing sensor dihubungkan ;_"g; rangkaian dan data yang didapat temuliun dikirim ke :-rit.j"l rangkaian pencacah-fretuensi .r"*etahui nilai penurunan frekuensi akibat ""*fi proses adslrbsi. Data
keluaran pencacah_frekuensi l"*rAi*"iibaca oleh komputer melatrui sebuah rangkaian *tur_*rt
yang digunakan r_lnruk mencacah ". frekuensi sebesar detik, hat ini Oilailrkan untuk mendapatkan
llme-bye ditentukan
I
ketelitian hingga *"ffi., orde 1 hertz. penurunan frekuensi -Jasar peiapisan ^k,b;;
iPTEK - Vol. 9. No. 3. Nopember i99u
membran
sensitif berkisar antara 5 sampai 20 KIlz. sedangkan penurunan frekuensi akibat efek
pembebanan massa oleh gas *".."pui kurang dari qenggun,un sensor dengan frekuensi [H: l3O"
_i
dasar
10 MHz (Ema di oftembangtan frekuensi dengan tetelitian l?-_Jit'] untuk dapa: memiliki kemampuan mencacah efek penurunar frekuensi hingga mencapai orde 3g KHz pada frekuensi dasar 10. MHz. penc"."i"" fr"mensi darl masing-masing keluaran *"*oi-oritrior dilakukan
;l Jil"Tffiffi"''T:*Jfr:
secara paralel. sehingga dapat diperoteh empat Uuat data masing-masing sensor padi kondisi (tekanan volume, dan suhu) uap cuplikan yang sama. Peralatan sistem sensor. unfuk pengukuran tanggapan sensor
ditunjukkan pada Gamfu.": Cg"nyamin rterr Rivai 1996). Keempat sensor ditempatkan di5gfrrrh mulut ?fung-uji yang bervotum, T-iit.r. Sisrem sensor ini menggu*k1l dua buah pemanas, yain, pemanas-dalam vang ditempatkan OiOaf* tabuns" dan pemanas-lua, yang ditempatkan di bak
Pemanas-datam digunatia: dengan cepat cairan cuplikan
.ili;;;;t
.[
menguapkar
y"ng iiru*ikkan. Bak air dan pemanas-lua. gigunala""*^J"g.i pensabj
suhu dan menciptakan tonoisi r"b";;;:; pada suhr pengukuran terrenru. pemutar_airl;;n, unm.,k meyeragamkan suhu di sekeliling tabungrji.
4. PERCOBAAN 4.1 Pengujian kelinieran
tanggapan s€nsor terhadap konsentrpsi uap Ii"ri"l Proses pengukuran dimulai dengan memasul
udara bersih
ke dalam taUuffi1"
Kemurtiqr
-1
2tt
Sensor + Osilator
Antar-Muka
Pencacah
Frekuensi
t
rst
Gambar 2. Sistematika peralatan eleltronik.
Termometer
Cuplikan
\
/
o"t uro, /
Pemanas Dalam
Pemanas
Luar
Pemutar
Air
Pencacah Frekuensi
Gambar 3. Peralatan sistem pengujian tanggapan sensor.
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK
212
pengukuran perubahan frekuensi dilakukan dan data
keadaan kesetimbangan dengan sistem. Rerata dau
perubahan masing-masing sensor ditunjukkan pada
masing-masing keluaran ditampilkan pada trayar monitor. Setelah beberapa saat, frekuensi keluaran sensor akan menjadi stabil. Dalam keadaan ini dilakukan pencuplikan sebanyak 100 data untuk masing-masing sensor. Hasil perataan data masingmasing sensor digunakan sebagai harga acuan. Pengukuran penurunan frekuensi yang merupakan efek dari pembebanan massa. dilakukan dengan menyuntikkan 5 pl cairan etanol murni yang diuapkan dengan cepat, dan kemudian distabilkan pada suhu 22C. Beberapa saat setelah frekuensi keluaran mencapai keadaan stabil, dilakukan pembacaan 100 data perubahan frekuensi untuk masing*masing sensor. Rerata data ini merupakan tanggapan masing-masing sensor terhadap uap cuplikan. Sebelum dilakukan pengujian berikutnya, udara di dalam tabung-uji diganti dengan udara yang bersih terlebih dahulu agar frekuensi sensor kembali ke keadaan semula. Prosedur ini diulangi untuk penyuntikan etanol 10 pl dan 15 pl pada suhu yang sama. Pengukuran tanggapan sensor tersebut diulang 3 kali pada masing-masing volume cairan yang disuntikkan.
persamaan (1).
4.2 Pengujian kestabilan tanggapan
5.2 Pengujian kestabilan tanggapan sensor
sensor
terhadap suhu uap etanol
5"
Kosentrasi uap cuplikan
22,4
C
(pp*,
pT y.
C-_-x103.
...."(2)
273MV
p
adalah kerapatan (g/ml), T suhu (K), V, r,olume cuplikan (pl), M beru molekul cuplikan, dan V volume tabung (L). Etanci mempunyai nilai M = 46,07, p : 0,7g93 pad.a suhu 22oC. Untuk volume etanol V, : 5, 10, dan lj pl maka akan diperoleh 'konsentrasi molekul gas dengan
pengukuran
masing-masing sekitar 1000, 2000, dan 3000 ppm Hasil pengukuran tanggapan sensor terhadap ketiga
macam konsentrasi tersebut ditunjukkan pada Gambar 6. Dari gambar tersebut terlihat bahu"a sampai konsentrasi 3000 ppm tanggapan dari semua sensor cenderung linier, hal ini bersesuaian dengan
terhadap suhu uap etanol
Langkah pengujian pada tahap ini hampir sarna dengan pengujian kelinieran tanggapan sensor. Dalam tahap ini dilakukan pengukuran perubahan
frekuensi rnasing-masing sensor
Gambar
diperoleh dari persamaan:
dengan
menyuntikkan 5 pl cairan etanol murni yang diuapkan dengan cepat, dan kemudian distabilkan
pada suhu 22"C, 30'C dan 38oC. pengukuran tanggapan sensor tersebut diulang 3 kali pada
Percobaan dilanjutkan pada pengukuran tanggapar sensor terhadap bermacam suhu pengukuran. Salah
safu cara untuk mengetahui kestabilan tanggapatr sensor dilakukan dengan perhitungan simpangalr baku dari 100 data saat tanggapan sensor stabil paCa masing-masing suhu pengukuran. Nilai simpangan_ baku SB diperoleh dari persamaan:
masing-masing suhu yang diujikan.
5. HASIL
DAN PEMBAI{ASAN
5.1 Pengujian kelinieran tanggapan
SB:
Itx, -v)'
sensor
terhadap konsentrasi uap etatrol Perubahan frekuensi terhadap waktu masing-masing osilator-sensor pada saat disuntikkan 5 pl pada suhu
22"C ditunjukkan pada Gambar 4. Dari grafik tersebut terlihat bahwa sesaat setelah dilakukan penyuntikan cairan, sensor akan memberi tanggapan yang paling besar, hal ini disebabkan karena sesaat setelah cairan disuntikkan ke dalarn tabung-uji dipanaskan dengan cepat, uap ini beluln mencapai
IPTEK - Vol. 9, No. 3, Nopember 1998
dengan X, nilai data ke-i, N jumlah data.
v
/l
rata_rata nilai data. ri:r,
Hasil pengukuran dan perhirungan simpangan-baki tanggapan sensor terhadap ketiga suhu pengukuran tersebur ditunjukkan pada Gambar 7. Terlihat bahlra semakin tinggi suhu pengukuran, tanggapan sens,:: semakin tidak stabil.
2t3
AF
(h')l
l@o
Itoo
lO.rO
!oo
I
3ta o
aoo
It lftorJ
t: 3s.orJ
t! t6ro?J
tm
a! tcc"-a
ltoo rd.tu (rtatll,
Gambar 4. Tanggapan sensor terhadap suntikan 5 pl etanol pada suhu
22c.
400 350 300
F(Hzl
2so 200 150 100 50 0
234 Jenis membran sensor
Gambar 5. Pola perubahan frekuensi sensor terhadap suntikan 5 pl etanol pada suhu 22"C. (Jenis membran sensor: L phosphatidyl ethanolamine,2. phosphatidic acid,
3. lecithin, 4. cholesterot)
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK
214
Tanggapan sensor vs konsentrasi 2000 1
800
1600 1400 1200 1000 AF(Hz) 800
600 400 200 0
12 konsentrasi (x1000 ppm)
Gambar 6 Tanggapan sensor terhadap beberapa konsentrasi uap etanol.
SimpanganBaku Sensor vs suhu 4.5 4
J
2.5 2
SB(Hz) 1.5 '|
u.5 0
Gambar 7. Simpangan-baku tanggapan sensor terhadap suhu pengukuran
IPTEK - Vol. 9, No. 3. Nopember 1998
2t5
6. KESIMPULAN Berdasarkan hasil percobaan dan analisa dapat diambil kesimpulan: Tanggapan sensor resonator kuarsa berbanding lurus terhadap konsentrasi molekul uap etanol sampai
batas percobaan 3000 ppm. Tanggapan sensor resonator kuarsa semakin tidak stabil pada suhu pengukuran yang semakin tinggi. Sehingga dalam penggunaan resonator kuarsa sebagai sensor gas, konsentrasi molekul gas cuplikan dijaga konstan dalam daerah liniernya. Demikian pula suhu konsentrasi molekul gas cuplikan dijaga konstan pada suhu yang tidak terlalu tinggi.
DAFTAR ACUAN
Benyamin,
K. dan Rivai, M.
(1996),
Pengembangan Sistim Pengukur-frekuensi dan Pengujiannya dalam Sistim Identifikasi Gas menggunakan Sensor Resonator Kuarsa, PPI KIM, p. 376-386.
Carey, W.P, Beebe, K.R, dan Kowalski, B.R. (1985), Selection of Adsorbates for Chemical Sensor Arrays by Pattern Recognition, Anal. Chem, Vol. 58, p. 149-153.
K. dan Yokohama, M. (1989), Odour-Sensing a Qunrtz-Resonntor Sensor Array and Neural-Network Pattern Recognition, Sensors and Actuators, Vol. 18, p.291-296. Gardner, J.W. (1994), Microsensors: Principles and Applications, John Wiley & Sons, p.243Ema,
System Using
245.
Ide, J., Ito, M., Nakamoto, T., dan Moriizumi T. (1994), Discrimination of Optical Isomers Using Quark-Resonator Sensors, Technical Digest, Vol. 12, p. 113-116. Ide, J., Nakamoto, T., dan Moriizumi, T. (1994), Development of Odor-Sensing System Using an Auto-Sampling Stage and Identification of Natural Essential Ois, Olfaction and Taste XI, Tokyo, p.727-730. King, W.H. (1964), Piezoelectric Sorption Detector, Anal. Chem., Vol. 36, p. 1735-1739.
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK
