PERKEMBANGAN DALAM BIDANG MIKROELEKTRONIKA (ME) DAN DAMPAKNYA KEPADA BIDANG INSTRUMENTASI
OLEH SAMAUN SAMADIKUN
SEMINAR SISTEM INSTRUMENTASI DAN KONTROL BERBASIS KOMPUTER BANDUNG, 17-18 JANUARI 1989 INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG -1-
Pengantar 1. Bidang mikroelektronika mempunyai lingkup aplikasi yang luas. Banyak bidang-bidang dimana pemanfaatan teknologi mikro elektronika telah memberikan sumbangannya dalam pembangunan dan kehidupan bermasyarakat di Indonesia. Karena bidang ME lebih bersifat dasar dan dekat dengan fisika dan ilmu bahan, maka kontribusinya tidak langsung kepada pemakai akhir, akan tetapi melalui sistem yang biasanya dirancang untuk melakukan suatu fungsi yang rumit. Salah satu kelompok sistim yang memanfaatkan mikroelektronika untuk melayani pemakai akhir ialah kelompok sistim instrumentasi. Kekhususan dari sistim instrumentasi dalam memanfaatkan mikroelektonika tidak saja dalam pengolahan sinyal, akan tetapi juga daiam kemampuannya untuk dipakai sebagai sensor besaran non-listrik, serta memanfaatkan peluang yang timbul dari teknologi struktur mikro. Perkembangan bidang Mikroelektronika 2. Ada beberapa teknologi yang akhir-akhir ini mewarnai perkembangan ekonomi beberapa negara maju. Teknologi-teknologi ini merupakan pengetrapan dari ilmu dasar yang telah disempurnakan selama bertahun-tahun dan kemudian mendapatkan dorongan yang berarti karena adanya terobosan aplikasi yang mempunyai potensi dampak ekonomi yang baik. Tidak selamanya potensi ekonomi yang baik tersebut dapat direalisasikan, dan bila berhasilpun maka pengaruhnya sebagian besar juga hanya marginal. 3. Sebagian besar perkembangan ekonomi dunia dimasa mendatang masih akan bersandar kepada teknologi yang sekarang ada dengan perubahan secara evolusioner dan tidak terlalu susah untuk diterka. Akan tetapi ada beberapa teknologi yang akan tumbuh dengan sangat cepat dan akan masuk kedalam segala segi kehidupan kita serta memberi corak baru dalam kita menyelesaikan masalah sehari-hari kita. Dari teknologi-teknologi ini ada beberapa yang telah memberikan dampaknya pada saat ini, yaitu teknologi elektronika, komputer dan material, sedangkan bioteknologi adalah teknologi harapan yang diperkirakan akan memberikan dampaknya yang substansial pada masa yang akan datang. 4. Elektronika ialah bidang ilmu yang mempelajari aliran elektron dalam ruang hampa, gas atau semikonduktor. Pengaruh dari besaran fisik lain seperti temperatur, medan listrik atau cahaya terhadap aliran elektron tersebut menghasilkan devais elektron atau sensor, yang kemudian dipakai untuk pelaksanaan fungsi-fungsi lain yang lebih rumit dalam suatu rangkaian atau sistim elektronik. 5. Perkembangan dalam teknologi semi konduktor dapat dikelompokkan dalam beberapa arah, sebagai berikut : a. Teknologi bahan semi konduktor b. Teknologi perancangan dan fabrikasi komponen semi konduktor c. Teknologi sistem semi konduktor 6. Bahan semi konduktor yang saat ini paling banyak dipakai ialah silikon dan hal ini masih akan terus berlanjut paling sedikit sampai permulaan abad yang akan datang. Diusahakan untuk memperbesar luas wafer yang dipakai untuk fabrikasi komponen, dan saat ini telah mulai dipasarkan wafer dengan diameter 20 cm. Perkembangan ini harus diikuti dengan usaha untuk mengurangi jumlah cacad dalam bahan sehingga dapat dibuat device yang banyak dalam chip yang luas dengan yield yang dapat dipertanggungjawabkan secara ekonomis. 7. Bahan semikonduktor kompound III - V merupakan bahan yang akan makin banyak dipakai dimasa mendatang. Dari beberapa bahan semikonduktor kompound III – V yang paling banyak dipakai ialah Galium Arsenide (Ga As). Bahan ini mempunyai keuntungan terhadap silikon dari segi kecepatan dan operasi temperatur yang lebih tinggi. Kerugiannya ialah kemurnian yang masih belum sebaik silikon dan sangat mudah pecah sehingga tidak mudah penanganannya. -2-
Untuk menanggulangi hal ini maka tampaknya akan dikombinasikan bahan Ga As dan Silikon, dimana Silikon yang mempunyai sifat mekanis lebih baik, dipakai sebagai substrat. Bahan Ga As yang mempunyai sifat listrik lebih baik, ditumbuhkan diatas substrat silikon. 8. Akhir-akhir ini telah berkembang suatu teknologi baru yang disebut band-gap engineering yang didorong oleh perkembangan dalam kemampuan kita untuk meletakkan lapisan-lapisan atom bahan satu diatas lapisan atom bahan lainnya. Dengan cara ini dapat dibuat bahan yang mempunyai band-gap yang berbeda-beda, sesuai dengan keinginan kita, sehingga dapat kita peroleh bahan dengan sifat-sifat listrik yang optimal untuk pemakaian tertentu. 9. Dengan bahan silikon yang ada saat ini dapat kita fabrikasi rangkaian yang mengandung kira-kira 10 juta devais dalam chip dengan ukuran 10 X 10 mm. Jumlah komponen ini akan terus meningkat dan orang sudah mulai memikirkan bagaimana kalau nanti mampu mengintegrasikan 109 devais dalam satu chip. Untuk memberi perspektip yang lebih jelas dapat diambil contoh mikroprosessor 8 bit yang lazim kita pakai, yang hahya mengandung kira-kira 104 devais. 10. Perancangan chip harus dilakukan dengan bantuan komputer. Dengan makin banyaknya devais yang dapat diintegrasikan maka kompleksitas perancangan juga makin meningkat. Keadaan saat ini kemampuan perancangan rangkaian belum memadai dengan kemampuan fabrikasi. Kendala ini terasa dengan keinginan banyak pihak untuk rangkaiannya sendiri yang terdorong oleh keinginannya menjaga daya saing produknya. Pada tingkat perancangan chip yang mengandung tidak lebih dari 105 devais telah terjadi perkembangan yang sangat yang didukung peralatan oleh perkembangan dalam perancangan (design station). 11. Dengan kemampuan komponen pembuatan semikonduktor mengandung jutaan devais maka telah dihasilkan komponen-komponen yang dapat melakukan fungsi yang sangat rumit dan bervariasi yang diatur oleh perangkat lunak dan dapat disebut sistem semiconductor. Pemakaian komponen-komponen yang canggih ini dalam peralatan elektronik akan menghasilkan peralatan yang makin canggih pula. Kerumitan fungsi yang dapat diperoleh dari komponen semi konduktor pada saat ini tidak saja dicapai karena kemampuannya dalam manipulasi data (VLSI) tetapi juga dalam kemampuannya untuk mengatur daya listrik yang besar (VLAI). Pengaruh perkembangan mikroelektronika kepada bidang instrumentasi. 12. Teknologi mikroelektronika merupakan penerapan dari dasar-dasar ilmu pengetahuan fisika, kimia dan bahan-bahan, menjadi sesuatu yang dapat dipakai sebagai komponen dasar untuk membentuk sistim-sistim elektronik yang dapat dipakai secara langsung oleh pemakai akhir. Komponen-komponen mikroelektronik yang lazim disebut IC dapat dipakai untuk pembuatan sistim telekomunikasi, pengaturan, komputer, instrumentasi dan daya. 13. Perkembangan dalam bidang komputer pada umumnya dan perkembangan dalam bidang pemrosesan sinyal secara digital pada khususnya, telah mempengaruhi cara pelaksanaan perancangan sistim instrumentasi pada umumnya. Teknologi mikroelektronika dipakai untuk signal conditioners yang langsung bersambungan dengan sensor, yang kemudian disusul dengan pengolahan sinyal yang disesuaikan dengan kebutuhan. Untuk ini telah dikembangkan Komponen IC yang disebut Digital Signal Processors (DSP). Komponen ini dapat dianggap sebagai mikroprosesor yang khusus dirancang untuk pemrosesan sinyal. 14. Teknologi mikroelektronika telah juga menghasilkan kemampuan untuk membuat strukturstruktur mekanis yang kecil (dalam orde besaran mikrometer) dari bahan silikon. Dengan menggabungkan kemampuan ini dengan sifat - sifat fisika lain dari bahan Silikon maka dapat dibuat sensor-sensor dari bahan tersebut. Teknologi ini dapat juga dipakai untuk pembuatan struktur seperti motor dan katub dalam ukuran mikron.
-3-
Pembuatan sensor dari bahan silikon 15. Bahan silikon mempunyai kepekaan yang cukup tinggi untuk besaran fisik yang biasanya Ingin diukur. Efek Hall, efek Seebeck dan efek Piezoresistance, cukup besar dalam bahan silikon, sedangkan efek piezoelektrik hampir tidak ada. Masalah lain yang dihadapi bahan silikon ialah bahwa kepekaannya terhadap strain, cahaya atau medan maknit juga dipengaruhi oleh temperatur (cross sensitivity). 16. Bahan silikon dapat dipakai untuk membuat sensor yang peka terhadap radiasi elektromaknetik mulai dari sinar gamma sampai inframerah. Kepekaan bahan silikon terhadap cahaya ini dipakai untuk photokonduktor, photodioda dan phototranslstor yang pembuatannya dapat dilakukan bersama-sama dengan pembuatan IC. Contoh yang paling menonjol dari pemakaian silikon untuk keperluan ini ialah dalam tabung kamera yang menggunakan teknologi CCD. Akhir-akhir ini juga telah dikembangkan detektor radiasi nuklir dari bahan silikon monolitik yang mempunyai kepekaan spatial. 17. Bahan silikon dapat dipakai untuk deteksi besaran mekanis dengan menggunakan sifat piezoresistansi-nya. Hal ini disebabkan karena mobilitas elektron dan hole dalam silikon sangat dipengaruhi oleh strain. Pembuatan piezoresistor dengan cara difusi atau ion implantasi diatas membran atau cantilever beam dari silikon, menghasilkan sensor untuk pengukuran tekanan atau akselerasi. Telah dikembangkan juga sensor dari silikon untuk pengukuran aliran gas, dengan cara mengukur beda temperatur dari dua struktur silikon yang dipanaskan, dimana satu diantaranya diletakkan dalam aliran gas yang akan diukur. 18. Pengaruh temperatur terhadap devais silikon telah diselidiki dengan intensip, karena biasanya dianggap sebagai sesuatu yang merugikan. Kepekaan temperatur dari arus dioda yang diberikan prategangan maju biasanya dipakai untuk mekanisme perabaan temperatur. Cara lain yang dipakai untuk perabaan temperatur ialah menggunakan bahan silikon sebagai, termokopel yang diintegrasikan dalam chip karena efek Seebeck dalam silikon cukup besar. 19. Bahan silikon cocok sekali dipakai untuk pembuatan devais yang memanfaatkan efek Hall. Dan sifat ini dapat diintegrasikan dalam transistor. Bahan silikon tidak begitu baik untuk dipakai untuk magnetoresistor karena mobilitas dari elektron dan hole dalam silikon adalah rendah Bahan-bahan yang mempunyai mobilitas pembawa muatan yang tinggi dapat diuapkan diatas IC silikon, dan dengan demikian dapat diintegrasikan rangkaian elektronik dan sensor. 20. Penelitian dalam bidang sensor Kimia yang memanfaatkan teknologi semi Konduktor, didorong oleh bidang proses Kontrol, otomotip dan lingkungan, untuk mendapatkan sensor yang murah dan dapat diandalkan. Hasil dari kegiatan ini ialah devais ISFET (ion sensitive Field Effect transistor). Bila gate dari ISFET dibuat peka terhadap ion tertentu, maka bila transistor tersebut dimasukan dalam larutan yang mengandung ion tersebut, maka perubahan arus antara source dan drain dari transistor dapat dipakai untuk mengukur Konsentrasi dari ion tersebut. Dengan menggunakan berbagai metal atau lapisan polymer sebagai bahan gate maka dapat diperoleh transistor yang peka terhadap hidrogen, CO, methane, dll. Dapat juga diperoleh sensor yang peka terhadap kelembaban. Integrasi sensor dan pengolahan sinyal dalam satu chip. 21. Biasanya sensor-sensor yang disebutkan diatas menghasilkan sinyal output yang tidak tentu besarnya, maupun bentuknya (arus, tegangan, perubahan resistansi, perubahan kapasitansi, dll) demikian juga sifatnya (noise, drift, offset, cross sensitivity). Perbaikan sinyal dari sensor ini dapat dilakukan oleh rangkaian yang dapat diintegrasikan bersama dengan sensor tersebut dalam sebuah keping silikon. 22. Integrasi sensor dan pengolahan sinyal dapat memberikan perbaikan signal to noise ratio, khususnya untuk sensor yang menghasilkan sinyal kecil. -4-
Selain itu karakteristik dari sensor dapat juga diperbaiki, yang menyangkut non-linearitas, cross-sensitivity, offset, drift dan frequency response. 23. Dengan pengolahan sinyal yang lebih lanjut lagi maka dapat dilakukan konversi analog ke digital, impedance matching dan bila perlu dapat dilakukan preprocessing terhadap sinyal tersebut. Integrasi dari sensor dan mikroprosesor dalam satu chip menghasilkan smart sensors. Selain keinginan untuk memberikan kemampuan pengolahan sinyal sedekat mungkin dengan sensor, juga dikembangkan jajaran sensor (sensor arrays) yang bertujuan untuk memperoleh gambaran spasial dari besaran yang akan diukur. Pada saat sedang dikembangkan jajaran sensor tactile yang diperlukan untuk memperoleh gambaran spasial dari tekanan. Pilihan untuk melaksanakan perancangan sistem instrumentasi. 24. Perkembangan dalam bidang komputer telah memungkinkan hampir semua permasalahan perancangan sistim instrumentasi dapat dilakukan dengan menggunakan komputer. Pilihan pertama bagi seorang perancang sistim instrumentasi untuk melaksanakan perancangannya ialah dengan memanfaatkan potensi dari komputer PC atau Mini yang ada. Harus juga diikuti perkembangan dalam sistim-sistim yang dapat dikaitkan dengan komputerkomputer tersebut. Teknologi networking, inter koneksi dan interfacing yang menyangkut perangkat keras dan lunak, merupakan permasalahan yang harus dikuasai oleh perancang. 25. Perkembangan dalam bidang komponen VLSI pada saat ini memungkinkan pelaksanaan perancangan sistem instrumentasi diatas PCB (Printed Circuit Board) dengan menggunakan komponen-komponen tersebut. Keputusan untuk merancang PCB sendiri dapat didorong oleh berbagai konsiderasi, antara lain untuk menghemat biaya, memperkecil ukuran peralatan, meningkatkan biaya, memperkecil ukuran peralatan, meningkatkan kinerja dari alat dilihat dari segi keandalan dan kecepatan. Dukungan perangkat lunak dan keras untuk melaksanakan perancangan PGB juga sudah banyak terdapat di Indonesia (Smartwork-PG, PCDS-Hewlett-Packard, Daisy System). Karena keandalan sistim akan sangat tergantung dari keandalan PCB-nya maka diperlukan pembuatan PCB yang profesional. Untuk ini PT INTI sedang menyiapkan suatu fasilitas pembuatan PCB yang profesional. Dengan menggunakan teknologi surface mount maka ukuran PCB dapat diperkecil lagi. 26. Banyak komponen IC juga tersedia dalam bentuk chip yang belum di-bond dan belum dienkapsulasi. Pemakaian komponen-komponen ini pada substrat bahan keramik menghasilkan sistim IC hybrid yang merupakan pilihan berikutnya untuk melaksanakan perancangan suatu sistim instrumentasi. Konsiderasi menggunakan cara ini untuk melaksanakan suatu perancangan didorong untuk memperkecil ukuran peralatan, mempercepat respons dan menjaga kerahasiaan. Dapat digunakan lapisan penghubung antara komponen dengan cara screen printing (thick film) atau secara evaporasi dan kemudian fotolitografi (thin film). Cara perancangan IC hybrid ini juga didukung dengan perangkat keras dan perangkat lunak yang sebagian besar sama dengan yang dipakai untuk perancangan PCB. Fasilitas untuk melaksanakan perancangan dengan hybrid IC ini telah dikembangkan di LEN dengan menggunakan teknologi thick film. 27. Perkembangan dalam perancangan IC dengan bantuan komputer pada saat ini telah begitu meluas, sehingga membuka kemungkinan bagi banyak fihak untuk melaksanakan Perancangan bagian-bagian dari sistim instrumentasi diatas silikon. Cara pelaksanaannya dapat dilakukan dengan teknologi gate array, standard cell atau cell based full custom. Perangkat lunak dan keras untuk perancangan telah ada di banyak perguruan tinggi dan lembaga penelitian. Hasil perancangan yang berbentuk data dalam pita magnetik atau floppy pada saat ini masih dikirim ke luar negeri untuk dibuat ICnya. -5-
Konsiderasi pemilihan cara ini untuk melaksanakan perancangan ialah untuk mengecilkan ukuran serta meningkatkan kinerja dari segi keandalan dan kecepatan serta untuk menjaga kerahasiaan. Fasilitas untuk pembuatan rangkaian elektronik pada substrat silikon sedang dikembangkan oleh LEN dan ITB. 28. Ada cara-cara lain untuk melaksanakan perancangan, yaitu dengan menggunakan Programmable Logic Devices (PLD) yang akhir-akhir ini makin populer karena harganya yang relatip murah. Komponen PLO ini dapat kita program sendiri sambungan-sambungannya seperti kita lakukan pada ROM. 29. Pelayanan fabrikasi pembuatan IC pada saat ini juga dapat mempunyai berbagai bentuk, dari yang hanya memberikan pelayanan sebagai broker (penghubung) saja sampai yang mempunyai fasilitas fabrikasi sendiri. Ada juga yang hanya memberikan pelayanan bagianbagian dari fabrikasi IC, umpamanya pembuatan mask, implantasi ion atau bonding dan enkapsulasi. Pelayanan yang serupa juga ada untuk pembuatan PCB dan papan rangkaian untuk hybrid IC. Penutup. 30. Bidang instrumentasi telah banyak memanfaatkan perkembangan yang terjadi dalam bidang mikroelektronika, khususnya dalam caranya untuk pengolahan sinyal. Kemampuan komputer pribadi yang sangat besar dan harganya yang murah, serta kemampuan perancangan sistim instrumentasi diatas permukaan silikon, merupakan peluang-peluang baru yang harus dapat dimanfaatkan oleh para perancang sistim instrumentasi Indonesia.
-6-
