PENGUJIAN DAN KARAKTERISASI FILM POLIVINILYDENE FLUORIDE SEBAGAI SENSOR PIEZOELEKTRIK
TUGAS AKHIR
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Kelulusan Pendidikan Sarjana pada Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung
oleh Eka Setiya Nova 102 03 044
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Sesungguhnya dalam penciptaan langit dan bumi, dan silih bergantinya malam dan siang, terdapat tanda-tanda bagi orang-orang yang mempunyai pikiran. (yaitu) orang-orang yang selalu mengingat Allah dalam keadaan berdiri, duduk, berbaring dan memikirkan tentang penciptaan langit dan bumi (seraya berkata) : “Ya Tuhan kami tidaklah Engkau ciptakan ini dengan sia-sia; Maha Suci Engkau maka hindarkanlah kami dari siksa neraka.” (QS. Ali ‘Imran : 190 – 191)
LEMBAR PENGESAHAN
PENGUJIAN DAN KARAKTERISASI FILM POLIVILYDENE FLUORIDE SEBAGAI SENSOR PIEZOELEKTRIK
Oleh :
Eka Setiya Nova 102 03 044
Tugas Akhir ini telah diperiksa dan disetujui Bandung, Januari 2008 Dosen Pembibing
Dr. Ing. Suparno Satira NIP. 130 515 678
Sebuah Karya kecil Untuk Ayah, Ibu, dan Adik-adikku Tersayang
PENGUJIAN DAN KARAKTERISASI FILM POLIVINILYDENE FLUORIDE SEBAGAI SENSOR PIEZOELEKTRIK Oleh : Eka Setiya Nova (102 03 044)
ABSTRAK Polyvinilydene fluoride (PVDF) sebagai bahan sensor memiliki beberapa keunggulan, terutama sifat piezoelektriknya. Sifat piezoelektrik PVDF sangat spesifik dalam hal frekuensi kerjanya. Polyvinilydene fluoride, dibuat dalam bentuk film dengan metode calendring. Metode ini sangat cocok untuk menghasilkan film yang disesuaikan dengan kebutuhan yang sangat variatif. Ketebalan film diukur dengan menggunakan mikrometer digital, pembuatan elektroda dengan menggunakan metode
evaporasi.
Pengkutuban
(Poling)
film
PVDF
dimaksudkan
untuk
mentransformasi PVDF agar memiliki struktur fase beta. Poling sangat berkaitan erat dengan frekuensi kerja, yang diuji dan diamati menggunakan osiloskop. Dalam eksperimen ini ketebalan yang dibuat melalui teknik calendring dan teknik Hot press bervariasi antara 19,33 μm – 91,33 μm.. Daerah frekuensi kerja sampel film PVDF yang teramati melalui osiloskop berada pada daerah frekuensi diatas 1 KHz.
Kata Kunci: PVDF, sensor piezoelektrik, poling
i
TESTING AND CHARACTERISATION POLIVINILYDENE FLUORIDE FILM FOR PIEZOELECTRICT SENSORS By : Eka Setiya Nova (102 03 044)
ABSTRACT
Polyvinilydene fluoride (PVDF) for material sensors have several superiority, especially characteristic of
piezoelectrict. Nature of
piezoelectrict PVDF very
specific within range of work frequency. PVDF, has been made with calendring methode. This methode very compatible for obtain film for variuos application. Measurement thickness of PVDF film with mikrometer digital, electrode with evaporasi methode. Poling for changing PVDF structure become beta fase structure. Poling very related to range of work frequency, which testing and measurement with osiloskop. In this experiment, PVDF using calendring methode and poling methode obtain thickness between 19,33 μm – 91,33 μm. The sensors were tested with osiloskop, and results showed that the range of work frecuency upper 1 KHz.
Keyword: PVDF, piezoelectrict sensors, poling
ii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Alloh yang telah memberikan Rahmat dan HidayahNya berupa kekuatan jasmani dan rohani, sehingga Laporan Penelitian dengan judul pengujian dan karakterisasi film PVDF sebagai sensor piezoelektrik ini dapat diselesaikan. Penulisan Laporan Penelitian ini merupakan suatu kewajiban ataupun persyaratan akademis bagi setiap mahasiswa untuk lulus pendidikan sarjana sebagaimana ditetapkan Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung. Adapun tujuan penelitian ini Untuk Mengetahui Bagaimana Membuat Film Polivinilydene Fluoride Beserta Karakterisasinya Sebagai Sensor Piezoelektrik, yang akan bermanfaat sebagai basis dari biosensor, harapan yang ingin dicapai adalah mendapatkan karakteristik film PVDF yang optimal sebagai sensor piezoelektrik yang diatur melalui proses pembuatanya. Dalam proses pembuatan laporan penelitan ini penulis menggunakan metode eksperimen. Untuk mendapatkan teori dan data-data yang tercantum dalam Laporan ini, penulis menggunakan buku-buku acuan dan beberapa website serta membuat alat dan melakukan eksperimen di Laboratorium Fisika Polimer dan Laboratorium Fisika Lanjut Program studi Fisika Institut Teknologi Bandung.
iii
Kendala yang dihadapi dalam Penelitian ini adalah ketebalan film yang dihasilkan belum sesuai yang diharapkan, hal ini karena alat yang digunakan dalam pembuatan film ini masih belum presisi sebab masih dalam tahap prototipe. Untuk menanggulangi masalah tersebut penulis terus melakukan revisi alat dan membuat ulang film PVDF tersebut. Akhirnya penulis dapat membuat film PVDF yang memiliki sifat piezoelektrik, serta dapat diuji dan dianalisis sehingga penulisan laporan dapat dilakukan. Dengan selesainya penulisan Tugas Akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada : 1.
Orang tua tercinta serta adik-adik yang telah memberikan dorongan moril dan materil kepada penulis dalam menyelesaikan kuliah sampai memperoleh gelar sarjana.
2.
Dr. Ing Suparno Satira sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan bantuan dana penelitian, sumbangan pikiran, mengarahkan serta memberikan saran – saran kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
3.
Herman Bahar, Ph.D yang telah menjelaskan tentang polimer PVDF sekaligus sebagai dosen penguji 1 yang telah memberi masukan dan saran-saran.
4.
Dr. Supriyadi dari KBK Instrumentasi Elektronik sebagai dosen penguji 2 yang telah memberi masukan dan saran-saran.
iv
5.
Dr. Ing Mitra Djamal, yang telah mengijinkan penulis meminjam peralatan di Laboratorium Sensor.
6.
Pepen Arifin, Ph.D sebagai Ketua Departemen Fisika Institut Teknologi Bandung.
7.
Abdul Waris, Ph.D yang telah mengizinkan penulis melakukan eksperimen di Laboratorium FISLAN (Fisika Lanjut).
8.
Teman-teman Fisika S1 yang tidak penulis camtumkan satu persatu dari Laoratorium KBK Fisika Instrumentasi Elektronik, KBK Fisika Material Elektronik, KBK Fisika Komputasi, KBK Fisika Nuklir, KBK Fisika Sistem Komplek dan KBK Fisika Teori. Yang telah banyak membantu penulis baik moril dan materil dalam pembuatan tugas akhir ini.
9.
Teman-teman S2 Fisika : Teh Ori, Kang Asep, Mas Ramon dan teman-teman S2 lainnya yang telah banyak menjawab pertanyaan-pertanyaan mengenai tugas akhir ini.
10.
Staf Tata Usaha, Staf Perpustakaan, Staf Bengkel dan Staf Laboratorium Fisika Lanjut Departemen Fisika ITB yang telah membantu kelancaran proses pembuatan tugas akhir ini.
11.
Semua pihak yang telah membantu penulis baik secara langsung maupun tidak langsung.
v
Penulis menyadari bahwa dalam Laporan Penelitian ini masih banyak terdapat kekurangan dan kelemahan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan adanya saran dan kritik untuk menyempurnakan Laporan Penelitian ini.
Bandung, Januari 2008 Penulis,
Eka Setiya Nova
vi
DAFTAR ISI
Halaman ABSTRAK
i
KATA PENGANTAR
iii
DAFTAR ISI
vii
DAFTAR TABEL
x
DAFTA GAMBAR
xi
DAFTAR LAMPIRAN
xiii
BAB I PENDAHULUAN
1
1.1
2
Latar Belakang dan Rumusan Masalah
1.1.1 Latar Belakang
2
1.1.2 Rumusan Masalah
2
1.2
Ruang Lingkup Kajian
2
1.3
Tujuan Penelitian
3
1.4
Anggapan Dasar
3
1.5
Hipotesis
4
1.6
Metode dan Teknik Pengumpulan Data
4
1.7
Sistematika Penulisan
5
vii
BAB II LANDASAN TEORI FILM POLIVINILYDENE FLUORDE UNTUK APLIKASI SENSOR PIEZOELEKTRIK 2.1
Polimer Polivinilydene Fluoride
6
2.2
Struktur Kristal Polivinilydene Fluoride
8
2.3
Film Polivinilydene Fluoride
17
2.4
Teknik Calendring
18
2.5
Piezoelektrik
19
2.5.1
Definisi
19
2.5.2
Deskripsi matematis
20
2.6
Sensor Piezoelektrik
23
BAB III ANALISIS DATA PEMBUATAN FILM POLIVINILYDENE FLUORIDE SEBAGAI SENSOR PIEZOELEKTRIK 3.1
Prinsip Dasar Eksperimen
26
3.2
Pembuatan Alat Untuk Fabrikasi Film PVDF
26
3.2.1
Pembuatan Tabung Pemanas
27
3.2.2
Pembuatan Dudukan
27
3.2.3
Penyusunan Rangkaian alat Roll Hot Press
29
3.2.4
Penyusunan Rangkaian alat Roll Hot Press dan pelistrikan 30
3.3
Pembuatan Film Polivinilydene Fluoride
31
3.4
Pengukuran Ketebalan Film Polivinilydene Fluoride
32
3.5
Pembuatan Elektroda
34
viii
3.6
Poling Film PVDF
35
3.7
Pengujian Sifat Piezoelektrik Film PVDF
37
3.8
Analisis Data Eksperimen
37
BAB IV
KESIMPULAN DAN SARAN 4.1
Kesimpulan
43
4.2
Saran
44
DAFTAR PUSTAKA
INDEKS
LAMPIRAN
ix
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
II.1
Data kristalografi polimer PVDF
14
III.1
Data ketebalan sampel film PVDF yang dibuat dengan
33
menggunakan alat Hot Press LIPI III.2
Data ketebalan,tegangan dan waktu poling sampel film PVDF
x
38
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1
Struktur molekul Polyvinylidene Fluoride secara umum
8
2.2
Unit sel fase beta PVDF menurut hasegawa dan kawan-
9
kawan. Dengan a = 8.58 Å, b = 4.91 Å, c = 2.56 Å 2.3
Struktur molekul Polyvinylidene Fluoride fase alpha secara
10
umum 2.4
Unit sel fase alpha PVDF menurut Bachmann dan Lando.
11
Dengan a = 4.96 Å, b = 9.64 Å, c = 4.62 Å 2.5
Struktur molekul PVDF fase Gamma secara umum.
12
2.6
Bentuk yang diusulkan oleh Takahashi dan tadokaro
13
dengan β = 92,9o a = 4.96 Ǻ, b = 9.59 Ǻ, c =9.23 Ǻ 2.7
Bentuk yang diusulkan oleh Weinhold
14
2.8
Blok Susunan transformasi perubahan fase molekul padat
15
polyvinylidene fluoride 2.9
Ilustrasi efek piezoelektrik, film piezo ditekan sehingga
16
menimbulkan beda tegangan 2.10
Skema polarisasi piezoelektrik PVDF
17
2.11
Skema alat dan sistem kontrol
18
2.12
Efek piezoelektrik pada material yang memiliki sifat
19
xi
piezoelektrik 2.14
Skema umum sensor
24
3.1
Skema lubang silinder yang diberi filamen beserta
27
pelistrikannya 3.2
skema tampak samping dudukan silinder
28
3.3
Skema Alat Roll Hot Press
29
3.4
Skema Alat Roll Hot Press beserta pelistrikannya.
30
3.5
Skema Peralatan untuk Mengukur Ketebalan Film PVDF
33
3.6
Skema preparasi film yang akan di evaporasi
34
3.7
Skema elektroda pada film PVDF
35
3.8
Skema alat Poling film PVDF
36
3.9
Skema uji frekuensi film PVDF
37
3.10
Grafik hasil uji frekuensi film PVDF sampel 1
38
3.11
Grafik hasil uji frekuensi film PVDF sampel 2
39
3.12
Grafik hasil uji frekuensi film PVDF sampel 3
39
3.13
Grafik hasil uji frekuensi film PVDF sampel 4
40
3.14
Grafik hasil uji frekuensi film PVDF sampel 5
40
3.15
Grafik hasil uji frekuensi film PVDF sampel 6
41
xii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A (SPESIFIKASI DAN FOTO PERALATAN-PERALATAN SERTA ZAT KIMIA YANG DIGUNAKAN PADA EKSPERIMEN).
xiii
