ISSN 0216 - 3128
226
Moh. Toifur, dkk.
SISTEM PENGUKUR RESISTANSI LAPISAN TIPIS TERKOMPUTERISASI DENGAN MENGGUNAKAN PROSESOR KONVERSI DAC 0808 DAN ADC 0809 Moh. Toifur, Nanang Suwondo Pusat Studi Fisika Terapan Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta
Sudjatmoko P3TM BATAN Yogyakarta
Ridwan P3IB BATAN PUSPIPTEK Serpong Tangerang
Kamsul Abraha Universitas Gadjah Mada Yogyakarta
ABSTRAK SISTEM PENGUKUR RESISTANSI LAPISAN TIPIS TERKOMPUTERISASI MENGGUNAKAN PROSESOR KONVERSI DAC 0808 DAN ADC 0809. Telah berhasil dibuat sistem pengukur resistansi lapisan tipis terkomputerisasi model four point probe dengan memanfaatkan DAC 0808 dan ADC 0809. Catu tegangan berjangkau 0-5 volt dan panjang interval 19,6 mV dipasok dari DAC 0808 pada salah satu ujung probe terluar melalui pengendalian komputer. Pembacaan arus diambil dari tahanan R yang dipasang seri dengan lapisan tipis sedangkan beda tegangan (V) pada lapisan tipis diambil dari 2 probe bagian dalam lapisan. Hasil pembacaan ditampilkan dalam bentuk data tegangan pada setiap probe dan grafik V vs t, I vs t dan R vs t dengan t lama pembacaan untuk seluruh jangkau tegangan yang input. Untuk menguji unjuk kerja sistem digunakan lapisan Ni80Fe20 hasil deposisi sputtering dc pada substrat gelas selama 10 menit, jarak elektroda 3 cm, tekanan vakum 1,6 × 10 -1 torr, suhu substrat 300°, daya 60 watt. Selanjutnya hasil pengukuran dibandingkan dengan hasil yang diperoleh secara manual. Dari eksperimen menunjukkan bahwa resistansi yang diperoleh komputer 1,91 ± 0,04 Ω sedangkan secara manual 2,00 ± 0,07 Ω. Kesala han relatif pengukuran komputer terhadap manual adalah 4,7%. Keunggulan dari sistem ini adalah kemampuan perangkat lunak (Delphi 5.0) untuk mengumpulkan, mengolah dan menampilkan data hingga 1/1000 detik. Dengan sistem ini maka sifat-sifat permukaan lapisan tipis dapat dihindarkan dari pengaruh oksidasi.
ABSTRACT A COMPUTERIZED SYSTEM FOR MEASURING THIN FILM RESISTANCE USING DAC 0808 AND ADC 0809 CONVERSION PROCESSORS. A computerized measurement system for thin film resistance has been prepared based on four point probe technique using DAC 0808 and ADC 0809. Various voltages (from 0 to 5 V with increasing voltage of 19,6 mV) from DAC 0808 was supplied to the one of outer ends point controlled by computer. Electrical current reading was carried out through the resistor (R) serially installed to the thin film, meanwhile for the voltage different reading was done from the two inner probes. The output readings were displayed on the computer for the relationship between R vs t, V vs t, I vs t and V vs I (t is duration time for the whole range of the voltage supplied). For testing performance of system it was used thin film deposited on the glass substrate. Thin film was prepared using dc sputtering technique, for 10 minutes, the electrodes distance was adjusted for 3 cm, vacuum operation of 1,6 × 10 -1 torr, substrate temperature of 300° and power of 60 watt. The results obtained from the measurement was compared with the results done manually. The results show that the resistance of the thin film obtained from the computer was of 1.91 ± 0,04 Ω meanwhile from the manual was found to be 2,00 ± 0,07 Ω. The relative error of the computer measurement to the manual is 4,7%. The advantageous of this system is capability of the software (Delphi 5.0) that able to collect, process, and display data up to 1/1000 sec. With this system the properties of thin film surface can be avoided from the oxidation effect.
PENDAHULUAN Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
P
engukuran resistansi lapisan tipis yang biasa dilakukan adalah dengan metode probe empat titik (four point probe) dengan dua probe terluar merupakan probe-probe untuk memasok arus sedangkan dua probe terdalam untuk mengetahui beda potensial antara keduanya. Pengamatan arus serta tegangan secara manual digunakan dua buah multimeter (ampere meter dan volt meter). Untuk harga-harga V dan I yang kecil (orde milivolt) maka ketelitian pembacaan serta jaminan bahwa sistem tidak terganggu dari luar sangat diperlukan karena gangguan sedikit saja akan mengubah nilai resistansi lapisan. Pada pengukuran resistansi secara manual memungkinkan terjadinya beberapa ke-salahan, misalnya kontak antara kabel yang satu dengan yang lain kurang mantap karena seringnya sistem terganggu pada saat penggantian sample pada fasilitas probe 4 titik. Demikian pula akibat dari kecilnya nilai arus maupun tegangan maka ke kurangcermatan pembacaan nilai V dan I juga berpengaruh terhadap nilai resistansi. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah pada saat karakterisasi resistansi lapisan pada jangkau V penuh jika dikehendaki pengaturan ∆V kecil maka diperlukan waktu yang cukup lama. Tampilan grafik dari set data (V, I) berupa titik atau kurva yang menghubungkan titik-ke titik dan bukan berupa kurva yang kontinyu. Demikian pula kegiatan pemrosesan data mulai dari pencatatan, pengolahan dan penampilan data adalah merupakan pekerjaan yang tidak ringan. DAC 0808-8 bit menyediakan tegangan presisi terprogram dengan jangkau 0 – 5 volt dan panjang interval 19,6 mV. Dengan kondisi ini maka menjadi memungkinkan untuk memasok tegangan yang sangat kecil mulai dari 19,6 mV dan kelipatannya sampai 255 titik langkah. Jika tegangan ini dipasok pada probe terluar lapisan tipis maka arus listrik akan mengalir pada lapisan tipis tersebut sehingga akan dapat diketahui besar arus serta beda potensial antar probe yang terhubung dengan lapisan. Sementara itu untuk keperluan pembacaan tegangan sistem, digunakan ADC 0809 yang telah disetel untuk dapat membaca tegangan 0 – 5 volt yang setara dengan 0 - 255 bilangan konversi. Masalah penampilan dapat dilakukan dengan menggunakan layar komputer melalui bahasa pemrograman Delphi 5.0.
227
Sistem pengukur resistansi tekomputerkan terdiri dari komputer yang di dalamnya mengan-dung mikroprosessor, antar muka (interface) dan lapisan tipis yang akan diukur resistansinya, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.
1. Mikroprosessor Fungsi mikroprosesor adalah untuk membe rikan perintah-perintah pada ADC dan DAC, mengolah dan menampilkan hasil pengukuran ataupun perhit ungan dalam bentuk angka maupun grafik.
2. Interface ADC 0809 dan DAC 0808 Rangkaian ini terdiri dari 2 bagian pokok yaitu PPI 8255 beserta DAC0808 dan ADC 0809 yang bekerja sesuai dengan urutan langkah pemrograman yang dikehendaki. Untuk memilih salah satu diantara keduanya digunakan address decoder yang akan menterjemahkan kombinasi 10 bit bus address yang terletak pada slot ISA. a. DAC 0808 Untuk menangani dan memberi masukan DAC 0808 digunakan PPI 8255 memakai salah satu port 8 bit (port B) PPI 8255. Keluaran DAC berupa arus yang harus diubah menjadi tegangan meng-gunakan op-amp. Pada bagian op-amp diberikan fasilitas pengatur offset dan penguatan tegangan (Gambar 2). Offset berfungsi untuk mengatur batas minimal tegangan keluaran DAC sedangkan fasilit as penguatan berfungsi untuk memberikan batas maksimalnya (Anonim, 1999). Keluaran DAC tersebut digunakan untuk memberi catu pada tahanan R yang tersusun seri dengan tahanan lapisan tipis.
PB0
5 Volt
DAC 0808 PB7
LF 351 +
Offset
BAGIAN-BAGIAN POKOK SISTEM PENGUKUR RESISTANSI TERKOMPUTERKAN
Gambar 2. Op-amp untuk DAC 0808.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
228
Komputer Mikroprosessor
Interfacing
Moh. Toifur, dkk.
Lapisan Tipis
Gambar 1. Keterkaitan antara komputer, antar muka dan lapisan tipis. Sebagai catatan, sebelum DAC dioperasikan probe 4 titik (titik 2, 3, 4 dan 5) dengan jarak antara harus dilakukan kalibrasi terlebih dahulu untuk titik sama, nilai resistansi pada lapisan tipis dapat mendapatkan persamaan konversi digital ke analog diperoleh dengan cara membagi beda potensial serta melihat watak linieritasnya. antara 2 probe bagian dalam (dalam hal ini titik 3 dan 4) dengan arus yang melalui lapisan tipis yang b. ADC 0809 diperoleh dari dua probe terluar (dalam hal ini titik 2 dan 5). Karena sifat ADC hanya dapat mengukur Pengukuran tegangan pada lima titik (titik 1, 2, besaran tegangan saja, maka pengukuran arus pada 3, 4 dan 5), seperti tampak pada Gambar 3, dilakukan lapisan tipis dilakukan dengan memasang resistor ( R) oleh komputer dengan menggunakan ADC 0809 seri terhadap tahanan lapisan tipis (Rl). Selanjutnya National Semiconductor 8 bit, dengan ketelitian 19,6 den gan mengetahui beda potensial ujung -ujung mV. Kelima titik tersebut masing -masing resistor (titik 1 dan 2) serta nilai resistor R, maka arus dihubungkan dengan input 0, 1, 2, 3 dan 4 ADC yang mengalir dapat dihitung yaitu: (Gambar 3). Karena proses akuisisi hanya dapat dilakukan terhadap satu kanal input tiap kali-nya, V maka diperlukan 3 bit pemilih kanal. Dengan I = 12 R konstruksi yang dibangun seperti pada Gambar 3, komputer dapat melakukan pengalamatan (address(1) ing) ADC sekaligus memilih kanal mana yang akan dikonversi. Data hasil konversi ditampung dalam lima dengan I arus yang mengalir pada resistor, V12 variabel (pada program komputer) yang mewakili besar tegangan anta ra titik 1 dan 2 dan R resistor. nilai tegangan pada titik 1, 2, 3, 4 dan 5 untuk Karena R tersusun seri dengan tahanan lapisan tipis kemudian diproses lebih lanjut. maka arus yang mengalir pada kedua tahanan sama besar. Dengan demikian nilai resistansi lapisan tipis Sebagaimana DAC, ADC yang digunakan dapat ditentukan sebagai: harus dikalibrasi terlebih dahulu agar diperoleh persamaan konversi analog ke digital serta watak V linearitasnya. Rl = 34 I (2)
3. Resistansi Lapisan Tipis
Menurut Ohring (1991) pada konstruksi
dengan R l resistansi lapisan dan V34 beda potensial antara titik 3 dan 4.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
229
8 bit
PPI 8255
op-amp 8 bit
1 DAC
R
Lapisan Tipis 2 5 34
10 bit Addres Decoder
3 bit
Pemilih kanal
ADC 0808
3 bit
Slot ISA
Gambar 3. Skema lengkap rangkaian pengukur resistansi lapisan tipis.
KEUNGGULAN SISTEM PENGUKUR AN RESISTANSI TERKOMPUTER KAN Pada bahasa pemrogram Delphi 5.0 yang digunakan, terdapat fasilitas pengaturan waktu eksekusi (timer). Fasilitas ini dapat dimanfaatkan untuk menentukan waktu eksekusi sampai 1/1000 detik (Antony Pranata, 1986). Pada penelitian ini lama eksekusi dipilih 1/100 detik yang digunakan untuk proses pembacaan meliputi pencatuan tegangan pada lapisan tipis, pembacaan tegangan pada titik 1,2,3,4 dan 5, proses perhitungan nilai resistansi sesuai dengan rumus (2) dan penampilan hasilnya dalam bentuk angka dan grafik. Selain itu dengan mengatur waktu eksekusi yang kecil maka kemungkinan terjadinya ketidakstabilan arus dapat dihindari. Sebagai catatan, untuk bahan magnetik seperti Ni80Fe20, lama waktu karakterisasi merupa-kan hal yang sangat penting untuk dipertimbangkan karena lapisan ini sangat mudah teroksidasi oleh oksigen yang berasal dari lingkungan. Karakterisasi lapisan dalam tempo yang cukup lama dapat menjadikan sifat lapisan telah berubah.
HASIL DAN PEMBAHASAN
diinputkan angka 0,1,2,3,…255 (representasi dari kombinasi 8 bit pada port B PPI 8255) dan tegangan keluarannya diamati secara manual dengan multimeter. Dengan mencocokkan (fitting) data D terhadap A mengikuti regresi linier diperoleh persamaan: A = 19,7 D – 0,4 (mV)
(3)
dengan D adalah masukan angka desimal sebagai representasi kombinasi data digital yang mungkin dan A data hasil konversi dalam bentuk analog. Demikian pula untuk mengetahui unjuk kerja ADC 0809 dalam melakukan konversi dari data analog ke digital maka dipasoklah tegangan dari 0 s.d. 4830 mV (maksimal 5000 mV) secara manual dan hasil konversinya diamati pada komputer. Dengan mencocokkan (fitting) data A terhadap D maka diperoleh persamaan: D = 0,05 A – 0,8 (tanpa satuan)
(4)
dengan A adalah data masukan berbentuk analog dan D data keluaran berbentuk digital. Dari persamaan (3) dan (4) tampak bahwa kedua prosesor konversi telah menunjukkan watak linearitas yang baik sehingga telah siap untuk dioperasikan dalam mendukung sistem rangkaian ini.
1. Uji linearitas DAC 0808 dan ADC 0809 Untuk mengetahui unjuk kerja DAC dalam melakukan konversi dari digital ke analog maka
2. Tampilan layar komputer untuk karakterisasi V-I lapisan tipis Ni80Fe20
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
230
ISSN 0216 - 3128
Pada penelitian ini beberapa variabel masukan yang diperlukan sistem dan perolehan data hasil pengukuran ataupun perhitungan ditampilkan dalam bentuk angka dan grafik. Catu tegangan dari DAC dapat dipilih secara manual atau otomatis, seperti terlihat pada panel “Pengatur Tegangan Probe”. Bila dipilih yang “manual”, nilai tegangan yang dikehendaki diketikkan pada tempat yang disediakan dalam satuan volt. Namun bila dipilih “otomatis” maka batas-batas tegangan yang dikehendaki harus dimasukkan pada kotak-kotak “edit” yang telah disediakan, dalam satuan volt, mulai minimal 0 volt sampai dengan maksimal 5 volt dengan panjang langkah 19,6 mV. Running dilakukan dengan mengklik tombol “mulai”, sedangkan tombol exit digunakan bila akan keluar dari program. Nilai tegangan pada titik 1 sampai dengan titik 5 dari saat ke saat dapat dipantau pada kotak-kotak “edit” dengan label Pr. 1 sampai dengan Pr. 5. Hasil perhitungan resistansi lapisan tipis, perhitungan tegangan serta perhitungan arus ditampilkan pada tiga grafik pertama masing-masing R vs t, V vs t dan V vs I dengan t waktu eksekusi.
Moh. Toifur, dkk.
Pengeplotan data pada semua grafik dilakukan dengan real time dengan selang waktu 10 ms. Hasilnya ditampilkan pada Gambar 4.
3. Uji hasil yang diperoleh secara manual dan terkomputerisasi Pada Gambar 4 ditampilkan hasil karakteri-sasi lapisan Ni80Fe20 yang dihasilkan dari dideposisi sputtering DC pada kondisi: lama deposisi 10 menit, jarak elektroda 3 cm, tegangan operasi torr, suhu o substrat 300 , daya 60 watt tanpa medan deposisi. Pada grafik kedua yaitu V vs t jelas sekali perilaku ADC 0809 dalam menangkap tegangan dari titik 3 dan 4 yaitu tidak dapat halus namun bertangga. Hal ini disebabkan karena kemampuan ADC yang hanya dapat merespon tegangan kelipatan 19,6 mV sehingga untuk tegangan-tegangan yang tidak tepat dengan nilai tersebut akan dibulatkan ke kelipatan 19,6 mV. Akibatnya semua perhitungan yang melibatkan nilai V ini akan tepengaruh keadaan V tersebut, seperti grafik R vs t (dengan R = V/I) dan V vs I.
Gambar 4. Tampilan layar komputer dari R vs t, V vs t dan V vs I.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
Untuk menentukan resistansi lapisan dimisalkan nilai resistansi konstan (V sebanding dengan I) sampai pada batas 5 volt. Karena sifat ADC seperti di atas maka perlu melakukan fitting data V terhadap I menurut regresi linier sehingga diperoleh persama an regresi serta nilai resistaninya yang merupakan slope grafik. Hasil fitting V terhadap I ditampilkan pada Tabel 1 kolom 2 dan plot grafik dari V dan I ditampilkan pada Gambar 5. Untuk mengecek validitas nilai resistansi yang diperoleh tersebut maka ditentukan pula resistansi yang dicari secara manual dengan variasi tegangan mulai dari 0 – 140 mV. Dari data V dan I juga di-fitting menurut regresi linier dan hasilnya di-tampilkan pada Tabel 1 kolom 3 dan plot grafik dari
231
V dan I ditampilkan pada Gambar 6. Dari nilai resistansi yang ditampilkan kedua cara tersebut terdapat selisih sebesar 0,09 ohm atau ralat resistansi yang ditentukan dengan komputer relatif terhadap resistansi manualnya ER = 4,71 %. Harga tersebut merupakan nilai yang cukup kecil sehingga secara umum resistansi yang dihitung melalui komputer dengan manual dapat dianggap sama. Selanjutnya untuk mempermudah menganalisis hasil yang diperoleh dari kedua metode maka pada Gambar 7 ditampilkan kedua grafik dari persamaan V sebagai fungsi dari I seperti yang dinyatakan pada Tabel 1.
Tabel 1. Beberapa hasil karakterisasi secara komputer dan manual. Secara Komputer
Manual
Persamaan regresi
V = 2,00 I –1,31
V = 1,91 I – 0,01
Resistansi (R)
R = (2,00 ( 0,07) ohm
R = (1,91 ± 0,04) ohm
80 70
Tegangan (mV)
60 50 40 30 20 10 0 -10 0
5
10
15 Arus (mA)
20
25
30
Gambar 5. Plot data V vs I beserta fitting dari data yang diakuisisi oleh komputer.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
232
Moh. Toifur, dkk.
140
120
Tegangan (mV)
100
80
60
40
20
0 0
10
20
30
40 50 Arus (mA)
60
70
80
Gambar 6. Plot data V vs I beserta fittingnya dari data yang diperoleh secara manual.
40 35
Tegangan (mV)
30 25 20 15 10 5 0 -5 0
5
10 Arus(mA)
15
20
Gambar 7. Grafik V vs I pada pengukuran resistansi dengan meto-de komputer dan manual. (*): manual, (o): komputer . 2. ANTONY PRANATA, Pemrograman Borland KESIMPULAN Delphi 4.x, Andi Offset, Yogyakarta (1986). 1. DAC 0808 dan ADC 0809 sangat tepat diguna3. OHRING, M., The Materials Science of Thin Films, kan sebagai prosessor konversi untuk mena Academic Press, Inc., New York (1992). ngani permasalahan penentuan nilai resitansi lapisan tipis. 2. Resistansi lapisan Ni80Fe 20 yang ditentukan dengan cara komputer dan manual sama besar sehingga sistem ini dapat digunakan untuk mengkarakterisasi resistansi lapisan tipis.
DAFTAR PUSTAKA 1.
ANONIM, ADC 0808/ADC0809 8-bit µp Compatible A/D Converters with 8-Channel Multiplexer, DAC 0808 8-bit µp Compatible D/A Converters, National Semiconductor Corporation Datasheet (1999).
TANYA JAWAB Budi sulistyo − Apa yang diharapkan membandingkan pengukuran komputer dengan manual? − Usaha apa yang akan dilakukan setelah memperoleh grafik yang masih jauh dari harapan? M. Thoifur
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
− Kemudahan yang diperoleh dengan pengukuran komputer karena cara kerjanya yang serba otomatis. Terhindar dari kesalahan manusia selama karakterisasi. − Mengganti DAC 0808 dan ADC 0809 dengan prosesor yang mempunyai resolusi bit yang lebih tinggi misal 12 bit atau 16 bit.
233
− Apa saja yang akan diukur? M. Thoifur − Untuk karakterisasi resistansi dan efek GMR pada lapisan tipis ferromagnet utamanya permalloy yang bebas dari pengaruh kesalahan manusia selama pengukuran. − Yang akan diukur R V vs t (waktu), I vs t, R vs t pada suhu tertentu.
Saminto − Penggunaan jangka panjang dari alat (pengembangannya) bisa untuk apa saja?
ini
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
