-
ISSN 0216 3128
88
Taxwim, dkk
SISTEM PENGUKURAN RESIST ANSI LAPISAN TIPIS SEBAGAI SENSOR GAS MENGGUNAKAN MIKRO KONTROLER 89C51 Taxwim, Tjipto Sujitno P3TM - BATAN
Istofa Pusbang Penerapan don Rekayasa
ABSTRAK SlSTEM PENGUKURAN RESlSTANSl LAPlSAN TlPlS SEBAGAl SENSOR GAS MENGGUNAKAN MICRO CONTROLLER 89C51. Telah selesai dibuat.sensor gas yang memi/iki nilai resistansi yang berubah sesuai dengan densitas gas tertentu yang dideteksi. Sensor gas lapisan tipis ini sangat rentan terhadap tegangan bias yang besar. Protipe ini menggunakan rangkaian elektronika yaitu berupa penguat operasional OpAmp, pengubah tegangan kefrekuensi don mi/crokontroler89C51 sebagai sistem pengolah data serta LCD sebagai sistem penampilnya. Sistem yang telah dibuat ini mampu mengukur resistansi dari I Mil sampai 200 Mil Sistem ini dikalibrasi dengan menggunakan resistorjenis karbon don dibandingkan dengan Ohm meter standar PROTEK tipe NB-268L. Ujicoba dilakukan dengan menggunakan sensor gas jenis 2nO don gas Amonia (NH3J25% dengan konsentrasi NHj tertentu serta diamati perubahan resistansi dari 2nO yang ditampilkan oleh system penampil LCD. Dari hasil pengujian tersebut didapatkan suatu ni/ai perubahan resistan sensor gas 2nO terhadap perubahan densitas ammonia.
ABSTRACT THE THIN FILM RESISTANCE MEASUREMENT SYSTEM FOR GAS SENSOR USING MICROCONTROLLER 89C51 Thin film gas sensors have resistance that changes proportional to the density of detected gases have beenfabricated.. This sensor is very susceptible from high bias voltage. The prototypesystem usesOpAmp as amplifier,Voltagetofrequencyconverterand microcontro//er89C5I for data processing and LCD for system display. This system can measure the resistance from I Mil until 200 Mil The system was calibrated using resistor carbon type and the result was compared with standard Ohm meter PROTEK type NB-268L. The measurement has been tested using ammonia (NH3J25% with certain concentration and the changing of 2nO thin layer resistance caused by changing of the density of ammonia is observed using LCD. The result showed that the measurement system can display the changing of 2nO thin layer resistance due to the changing of ammonia density
PENDAHULUAN
L
aPisan tipis (thill film), telah berkembang dengan sangat cepat. Kemajuan ini terutama berkenaan dengan metode pembuatan, jenis lapisan tipis yang dihasilkan clan berkembangnya berbagai macam bentuk aplikasinya yang salah satunya sebagai sensor gas. Lapisan tipis yang dimanfaatkan sebagai sensor gas, mempunyai karakteristik tertentu. Salah satu cara untuk mengetahui karakteristik suatu lapisan tip is adalah dengan mengukur sifat kelistrikannya, misalnya sifat kapasitansi, konduktansi daD resistansinya. Sifat konduktansi merupakan kebalikan dad sifat resistansi. Resistansi mempunyai sifat yang lebih nyata sehingga lebih mudah untuk menentukan besaran resistansi lapisan tipis daTi pacta sifat yang lain. Nilai resistansi daTi lapisan tip is sebagai sensor gas sang at beragam, mulai daTi orde Ohm bahkan sampai 200 Mega Ohm. Lapisan ini sangat rentan terhadap pemberian bias tegangan yang bcsar. Alat ukur yang tersedia untuk ohmmeter umumnya mempunyai jangkauan tertinggi 2 MD Prosiding
Pertemuan
sampai 20 MD. Untuk mengatasi hal tersebut, dalam penelitian ini akan dibuat suatu sistem alat ukur resistansi yang mempunyai jangkauan tinggi sampai 200 MD, tetapi dengan tegangan bias yang keci!. Sistem pengukur dibuat berbasis mikrokontroler clan diprogram dengan komputer. Selanjutnya sistem dapat bekerja secara mandiri (stand alone). Penelitian ini meliputi pembuatan hardware yaitu rangkaian penguat awal, rangkaian pengubah tegangan ke frekuensi clan rangkaian rnikro kontroler, serta sebagai penampilnya menggunakan LCD sedangkan software menggunakan bahasa pemrograman assembly clan sensor gas menggunakan lapisan tipis basil sputtering yang dibuat oleh Bidang Akselerator P3TM-BATAN. Penelitian ini bertujuan membuat prototip alat pengukur resistansi sensor gas lapisan tipis yang dapat bekerja secara mandiri setelah program operasi ditanamkan pacta eprom mikrokontroler 89C51 tersebut .
daD Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
daD Teknologi Nuklir
ISSN 0216 -3128
Taxwim, dkk
DASAR TEORI Lapisan tipis yang dimanfaatkan sebagai sensor gas, mempunyai karakteristik tertentu. Beberapa sensor gas digunakan untuk pemantuan lingkungan, 'di mana sensor ini didasarkan pada perubahan konduktivitas permukaan lapisan tipis. Banyak cara telah dilakukan untuk mengetahui karakter daTilapisan tipis, seperti pengujian surface morphology, struktur kristaI. optik, stress, densitas lapisan, kelistrikan dan lain-lain (Szezyrbowski, 1997). Pengujian sifat kelistrikan di antaranya berupa pengujian sifat kapasitansi, konduktansi rnaupunresistansi. Tabell. Jenis Lapisan Tipis clanGas yang Dideteksi (Cosandey et aI, 2000)
H2, CO, N02, H2S,CH4
Sn02 Ti02 Fe203 Cr1.8Tio.203
W03 In203 ZnO LaFe03
H2, C2HsOH, O2 CO NH3 N02, NH3 03, N02 NH3 N02, NOx
Konduktivitas lapisan tipis dapat berubah karena adanya formasi batas daerah muatan yang diakibatkan oleh serapan gas atau oleh formasi
89
susunan lowongan molekul oksigen pada permukaannya (Gas'kov and Rumyantseva 1999). Molekul-molekul oksigen akan ditangkap oleh permukaan lapisan tipis. Jumlah molekul oksigen yang ditangkap akan menaikkan konduktivitas lapisan secara proporsional. Fenomena inilah yang digunakan sebagai prinsip dasar kerja dari sensor gas lapisan tipis. Terdapat beberapa jenis sensor gas lapisan tipis clan kepekaannya terhadap jenis gas tertentu seperti pada Tabel 1. Resistansi dari setiap sensor gas lapisan tipis sangat beragam tergantung daTiproses pembuatannya yang meliputi kestabilan, variasi proses preparasi, kerataan lapisan danjarak antar terminal pengukuran. Dari prinsip dasar kerja sensor gas tersebut maka dalam penelitian ini dibuat suatu sistem pengukur resistansi sensor gas dengan jangkau ukur 1 MO sampai dengan 200 MO, seperti tedihat pada Gambar 1 yaitu blok diagram sistem pengukur resistansi sensor gas lapisan tipis. Rangkaian penguat awal yang terdiri daTi rangkaian operasional amplifier yang digunakan sebagai deteksi resistansi sensor gas. Arus yang dihasilkan relatif kecil sehingga pedu di kuatkan dengan rangkaian penguat operasional amplifier, sedangkan penguat pengkondisi selain untuk penguat juga dilengkapi dengan rangkaian pengubah tegangan ke frekuensi (voltage to frequency converter AD654).
Kompu/er Pemrogrem
Sen.or Ga. lapinn Tlpl.
Penguat Awa. penguat roenyangga Pengubah VIF
. I:
Mikro kontroler 89C51
Gambar 1. Blok diagram sistem pengukur resistansi lapisan tipis sebagai sensor gas
SISTEM PENGUKUR RESIST ANSI a. Kondisi tunggu
NILAI RESIST ANSI 0000 MO b. Kondisi setelah pengukuran
Gambar 2. Tampilan LCD sistem pengukur resistansi lapisan tipis Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar lImo Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta,
8 Jull 2003
-
ISSN 0216 3128
90
Taxwim, dkk
TATA KERJA
labiaIisaJI: I., 0 (To.bot Start) la, I (I' Ia)
TD"IP I., I (5..rt) T.-piIkaD LCDIII"IP
, ! t
I ...JI
N .5;:
Bub
PillIII Ian
Hltuql81 ~ 51.paD Data Tutup Pi8111 lat!
I~ I~ I§ .~
Gambar 3. Diagram alir pemrograman dengan bahasa Assembly Interupsi start berupa tombol untuk mengoperasikan sistem pengukur yang berhubungan dengan software pada mikrokontroler. Tombol ini akan memerintahkan sistem untuk mulai melakukan pengukuran resistansi yang ditampilkan dalam LCD clan perintah stop akan menghentikan proses clan mengembalikan sistem ke kondisi awal atau tunggu. LCD akan menampilkan data basil pengukuran setelah tombol start ditekan atau untuk menampilkan kondisi tunggu/siap ukur seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.Sedangkan mikro kontroler berfungsi sebagai sistem pengolah data menggunakan bahasa pemrograman assembly yang ditanamkan pada EPROM. Diagram aliI pemrograman dengan bahasa assembly ditunjukkan pada Gambar 3. Sedangkan penggunaan computer hanya dipakai pada saat pembuatan program assembly clan setelah selesai program ditanamkan dalam EPROM mikrokontroler clan selanjutnya mikrokontroler akan bekerja secara mandiri (stand alone). Diagram lengkap rnikrokontroler MCS 89C51 ditunjukkan pada Gambar 4. Sedangkan rangkaian lengkap sistem pengukur resistansi sensor gas disajikan pada Gambar 5.
Presiding
Pertemuan
Tata kerja dari prototip sistem pengukur resistansi lapisan tipis dapat dijelaskan seperti pada Gambar 1, Gambar 2 clan Gambar 3. Pada saat tombol power supply di-ON-kan maka program akan menjalankan instruksi-instruksi yang telah ditentukan dalam pemrograman, misalnya inisialisasi tombol start dan sehagainya dati selanjutnya instruksi akan mengikuti alur program seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. dati hasil dari pengolahan data tersebut ditampilkan ke dalam LCD seperti pada Gambar 2. Selanjutnya apabila tombol Start ditekan, maka instruksi akan menjalankan program untuk konversi dari perubahan resistansi lapisan tipis yang akan mempengaruhi nilai tegangan yang diubah dalam bentuk frekuensi clandicacah kemudian ditampilkan dalam display LCD yang telah dikalibrasi nilainya dengan dengan satuan MO clan nilai tersebut merupakan basil dari konversi resistansi sensor gas lapisan tipis.
HASIL DAN PEMBAHASAN Tabel 2. Pengujian sistem pengukur resistansi sensor gas dengan resistor karbon clan Ohm meter standar
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
21 40 60 80 100 119 138 156 176 196
22 40 60 80 100 119 138 157 174 192
4,76% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0,64% 1,14% 2,04%
Dari pembuatan prototip sistem pengukur resistansi sensor gas, pertama-tama dilakukan pengujian untuk mengukur resistansi dengan menggunakan resistor karbon dengan nilai mulai dari 1 MO sampai dengan 200 MO clan dikalibrasi menggunakan alat ukur resistansi standar berupa Ohm meter merek PROTEK tire NB-268L yang jangkau ukumya sampai dengan 2000 MO. Hasil tersebut ditunjukkan pada Tabe12
daD Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
daD Teknologi Nuklir
Taxwim,
ISSN 0216
dkk
-3128
91
Mf-1::=-" ~k-1'?'-"""_" ""
~.. H~"""
'Jt
..,~ ,~ "" .., ",w.. ,.~ .~ '.0< ,,~
::r."
U.'U n.'" ".".)
".N' .. N' "Of.,
Gambar 4. Rangkaian lengkap mikrokontroler 89C51
'!1'1
T
.1 ....
1
+
CA.'"
.('A)U '
-V
51<
s
,..L",is.. Tip;'
"'"
I k1 '" to>; '" ,.....
CAJ"
i
.12
'!1'1
ItI 'V' au
Hi
2J<
... ~'
arAItT
1
'0 K
Gambar 5. Rangkaian lengkap sistem pengukur resistansi sensor gas
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN
Yogyakarta,
8 Juli 2003
-
92
ISSN 0216 3128
Endro Kismolo, dkk. "'u.
Dan Table 2 tersebut dibuat gambar grafik untuk memudahkan dalam analisis data seperti ditunjukkan pactaGambar 6. ~ ... E ~ !:,,.
~
200
~
85 Q. CII 80
180 160 140
I
120
~ 0 100
:;~
'§ C'
80 60 40
~ IL
20 0
E' 110 i5 105 ~1oo ~ 95 i= 90
= 0,9831
x + 1,4358
~ ~
~
75 70
65
"ii 60 a: 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Densitas Gas Amonla (mUvol.) 0
20
40 60
80 100 120 140 160 180 200
Penunjukan Alat Standar (MOhm)
Gambar 6. Grafik kalibrasi penunjukkan alat yang dibuat terhadap alat standar
Gambar 7. Grafik Perubahan Resistansi Sensor Gas Lapisan Tipis Terhadap Densitas Gas Amonia (NH3)
KESIMPULAN Sedangkan pengujian aplikasi yang sesungguhnya dengan menggunakan sensor gas lapisan tipis ZoO. Untuk mengetahui adanya perubahan resistansi, sensor gas lapisan tipis dimasukkan pactaruang uji tertutup. Pacta ruang bervolume 4,5 liter ini, dimasukkan gas amonia NH3 25% dengan volume tertentu. Densitas gas amonia ini mempunyai pengaruh terhadap resistansi lapisan tipis, basil eksperimen tersebut ditunjukkan pada Tabel 3
Tabel 3. Hasil pengujian sistem pengukur resistansi sensor gas lapisan tipis
0
102
10
96
20
92
30
88
40
86
50
84
60
82
70
81
80
81
90
78
100
77
Dari Tabel 3. tersebut dibllat grafik seperti ditunjukkan pactaGambar 7.
Dan pembuatan clan pengujian alat pengukur resistansi sensor gas lapisan tipis tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa 1. Prototip sistem pengukur resistansi pacta sensor gas lapisan tipis yang telah dibuat tersebut dapat digunakan sebagai sistem pengukur sensor gas lapisan tipis.
2. Alat tersebut telah menunjukkan respon yaitu perubahan densitas gas dengan perubahan penunjukkan resistansi lapisan tipis . 3. Secara keseluruhan sistem pengukur resistansi yang dibuat sudah berfungsi dengan baik clan dapat dipergunakan untuk mengukur resistansi sampai dengan 200MO. Skala terkecil yang dapat ditunjukkan alat adalah IMO. 4. Kelemahan alat ini adalah tidak mampu mengukur resistansi di atas 200MO secara akurat. Hal ini karena kemampuan rangkaian penguat awalnya. 5. Kelebihan alat yang dirancang adalah alat ini berbasis mikrokontroler clan dapat dikembangkan untuk dapat berkomunikasi dengan kompllter.
UCAP AN TERIMAKASIH Kami ucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya atas kerjasamanya dalam melakukan penelitian clan pembuatan sistem pengukur resistansi lapis an tipis clan uji coba prototip ini, sehingga dapat di buat makalah kepada: I. Saudara J Karmadi clan Sumaji yang telah membantu dalam usaha penyelesaian prototip tersebut serta pengujiannya
Prosiding Pertemuan daD Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan daD Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
-
ISSN 0216 3128
Taxwim, dkk
2. Seluruh kelompok Aplikasi akselerator yang telah menyediakan seluruh fasilitas tersebut 3. Semua pihak yang tak bisa disebutkan satu persatu yang telah membantu dalam penyelesaian makalah ini
DAFfAR
PUSTAKA
93
8. Szezyrbowski J., 1997, Properties of TiOr Layers Prepared by Medium Frequency and DC Reactive Sputtering, 40thAnnual Technical Conference Proceeding, New Orleans, USA. 9. Wasito S., 1996, Data Sheet Book 1 IC Linier, TTL dun CMOS, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta.
1. Anonim, 1999, 89C51 Development Tools DT51 Version 3, User's Guide, Manual Book, Innovative Electronics.
TANYAJAWAB
2. Cosandey F., Skandan G. and Singhal A., 2000, Materials and Processing Issues in Nanostructured Semiconductor Gas Sensor, 40thAnnual Technical Conference Proceeding, New Orleans, USA.
Djoko SP. ~ Apakah alat-alat ini bisa untuk mendeteksi .. Jews gas ?..
3. Garland H., 1979, Introduction to Microprocessor System Design, McGraw-Hill, Inc., U.K.
~ Berapa besar lineritas dari alat ini terhadap komonitasi gas yang diukur ? .
.
Taxwim
4. Gas'kov A.M. and Rumyantseva M.N., 1999, Materials for Solid State Gas Sensors, Inorganic Materials vol. 36, Russia 5. Lalauze R., Pijalot C., Vincent S. and Bruno L., 1992, High-sensitivity materials for gas detection, Sensors and Actuators B.8 6. Malik M.I. dan Anistardi, 1997, Bereksperimen dengan Mikrokontroler 8031, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta.
.
Untuk saat ini alat tersebut untuk membedakan konsentrasi gas, untuk masa yang akan datang kemungkinan dapat digunakan untuk membedakan jenis gas dengan menggunakan Multi Senser gas (beberapa jenis sensor gas). Dari grafik terlihat persamaan diukur Y=0,2255 x +97,364, setelah dihitung R2 = 0,9152. Dapat dikatakan bahwa linieritas dari alat tersebut sebesar 91,52%.
7. Malvino AP. and Leach D.P. 1981, Digital Principles and Applications, McGraw-Hill, Inc., U.K.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Jull 2003
