BAB III METODOLOGI 3.1
Metode Penelitian Dalam melakukan penelitian, penulis menggunakan metode Eksperimen
murni. 3.2
Desain Penelitian Untuk melaksanakan penyusunan skripsi ini penulis menggunakan
beberapa metode penelitian dan penyusunan laporan, yaitu: studi literatur, serangkaian proses pengujian, pengambilan data, pengolahan data percobaan, sampai pengambilan kesimpulan. Secara sistematis dapat dilihat dalam Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram Alir Metode Penelitian
40
41
3.3
Waktu dan Tempat Penelitian Skripsi Waktu pelaksanaan
: Februari 2010– Juni 2010
Tempat pelaksanaan : PPET – LIPI Komplek LIPI Gedung 20 Jalan Sangkuriang Bandung 40135 3.4
Langkah – Langkah Penelitian Langkah-langkah penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut: Perancangan Screen Prototype Sensor SnO2 Pembuatan Komponen • Elektroda • Heater • Lapisan Sensor SnO2
Pelapisan Dielektrik
Pencetakan Sensor
Pemotongan Substrat Pemberian kaki-kaki sensor
Gambar 3.2 Diagram Alir Langkah-langkah penelitian
3.4.1
Studi literatur Melakukan diskusi mengenai materi yang berhubungan dengan pembuatan
sensor gas CO menggunakan teknologi screen printing. Dan juga mempelajari
42
literatur yang berhubungan dengan perancangan sensor gas teknologi film tebal, baik dari literatur cetak maupun media internet. 3.4.2
Perancangan Perancangan yang dilakukan meliputi perancangan dimensi sensitive layer
yaitu lapisan SnO2, heater, dan elektroda. Perancangan dilakukan dengan mengacu pada spesifikasi sensor yang akan dibuat dan berdasar pada aturan – aturan pada teori dasar. Tahapan Perancangan dan Pabrikasi Untuk mencapai hasil sesuai dengan yang diharapkan, proses pabrikasi sensor ini dilakukan dalam beberapa tahap. Tahapan – tahapan ini bisa dilihat dalam Gambar 3.3
Gambar 3.3 Tahapan Proses Perancangan dan Pabrikasi Sensor Gas
43
Spesifikasi Sensor Dalam proses perancangan suatu devais, sebagai langkah awal adalah menentukan spesifikasi dari devais yang akan dibuat. Adapun spesifikasi umum yang diharapkan peneliti dari sensor ini adalah sebagai berikut :
Dimensi
: ≤10 mm x 25 mm
Suhu operasi
: 25 oC – 300 oC
Daya Kerja heater
: 3W
Jangkauan Pengukuran : 0 ~ 1250 ppm
Ketentuan Umum Perancangan
Pada dasarnya, suatu sensor gas teknologi film tebal terdiri dari beberapa komponen utama. Selain lapisan sensor itu sendiri, sensor gas teknologi film tebal tersusun dari sebuah pemanas atau heater dan sepasang elektroda. Baik heater ataupun elektroda, keduanya merupakan jenis konduktor. Oleh sebab itu dalam perancangan sensor gas teknologi film tebal ini perlu diperhatikan aturan – aturan dalam merancang suatu konduktor film tebal termasuk juga external pad. Untuk jalur konduktor, baik heater maupun elektroda aturan umum perancangannya adalah seperti dalam Gambar 3.4
44
Gambar 3.4 Aturan Perancangan Jalur Konduktor Film Tebal Sumber: Haskard,1988:140
Pada sensor gas yang akan dibuat nantinya, ujung – ujung heater dan pasangan elektroda, masing - masing mempunyai pad eksternal sebagai tempat menempelnya kaki – kaki penghubung. Dimensi ideal dari pad eksternal adalah 1,5 mm x 1,5 mm sampai dengan 2 mm x 2 mm, dengan jarak dari tepi substrat sebesar 0,3 mm. Secara sistematis, aturan perancangan pad eksternal dapat dilihat dalam Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Aturan Perancangan Pad Eksternal Film Tebal Sumber: Haskard,1988:140
45
Perancangan Lapisan Sensor (Sensitive Layer) Pada umumnya, perubahan resistivitas material sensor ketika bereaksi dengan gas dipengaruhi oleh reaksi atom – atom oksigen di udara dengan atom – atom oksigen di permukaan lapisan sensor. Reaksi ini merubah potential barrier antar ikatan atom. Reaksi diawali ketika lapisan material sensor mengikat oksigen dari udara, oksigen tersebut menjadi bermuatan negatif sehingga terbentuk potential barrier yang disebut Schottky barrier. Ketika ada gas (misal: gas CO), maka gas ini akan bereaksi dengan oksigen yang telah terikat pada permukaan lapisan sensor (CO+O2-
CO2+2e-) yang mengakibatkan perubahan Schottky barrier.
Pada umumnya, sinyal respon sensor (bertambah atau berkurangnya nilai resistans) ditentukan menurut jenis material sensor dan gas yang disensor. Untuk gas, digolongkan menjadi gas pengokidasi dan gas pereduksi, sedangkan untuk material sensor dapat diklasifikasikan menjadi material tipe–p atau tipe-n sesuai dengan respon sinyalnya. Pada material tipe-p, nilai resistans akan bertambah ketika bereaksi dengan gas pereduksi., dan resistansi akan berkurang terhadap gas pengoksidasi, hal ini berlaku sebaliknya terhadap material tipe-n (Cirera,2000:29). Sensitive layer atau lapisan material sensor merupakan bagian yang berinteraksi langsung dengan gas, yang reaksi elektrokimia terjadi di permukaannya. Lapisan ini terbuat dari bahan SnO2, yaitu bahan metal oxide tipen yang sensitif terhadap molekul – molekul gas pereduksi.
46
Dimensi dari lapisan ini (yang mewakili banyaknya molekul SnO2) akan menentukan jangkauan pengukuran sensor. Langkah pertama yang dilakukan dalam merancang lapisan sensor adalah menentukan jangkauan pengukuran maksimal dari dari sensor dalam satuan ppm, dalam perancangan ini jangkauan maksimal yang diharapkan adalah 1000 ppm (dalam hal ini 1000 ppm CO). Karena pada proses ini yang terjadi adalah reaksi gas, maka satuan ppm dirubah menjadi mol/L. Dengan menganggap gas adalah gas pada kondisi ideal, persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut : mol
1mol 24 ,15 L
ppm
L
Sehingga didapat : 1000 1mol 1000000 24,15L ......................................................... (3.1)
1000 ppmCO
4,14.10 5 mol L
Selanjutnya dengan menentukan massa CO di udara, dalam 1 Liter udara terdapat :
4,14.10 5 mol
L
MCO ..........................................................................(3.2)
Dengan MCO adalah Molaritas CO = 28 g/mol, maka didapat massa CO : 4,14 .10
5
mol
L
28 g
mol
115 ,92 .10
5
g L
........................................(3.3)
Jadi dalam 1 Liter udara terdapat 115,92.10-5 g CO. Langkah selanjutnya adalah menentukan mol CO dalam 1 L udara, yaitu : molCO
massaCO .............................................................................. (3.4) MCO
47
115 ,92 .10 5 g 28 g / mol
molCO
0,00004 mol
Dengan mengacu pada persamaan reaksi kesetimbangan antara gas CO dan SnO2, yang merupakan reaksi antara atom – atom O2 di permukaan dengan molekul – molekul CO dari udara, yaitu : SnO2+2CO 2Sn+2CO2+2e ............................................................ (3.5) Maka dapat diketahui perbandingan molaritas antara gas - gas pereduksi dan SnO2, yaitu molaritas SnO2 adalah 2 kali molaritas CO, sehingga :
molSnO2
2 molCO ...........................................................................(3.6)
molSnO2
2 0,00004 mol 0,00008 mol
Setelah mol SnO2 diketahui, selanjutnya menentukan massa dari SnO2 yaitu : n
m M
dengan : n : mol SnO2
= 0,00008 mol
m: massa SnO2 ( gram ) M: Molaritas SnO2
= 150,7 gram/mol
maka : MSnO 2 ................................................................ (3.7)
mSnO 2
mol SnO 2
mSnO 2
0,00008 mol 150 ,7 g / mol 0.012 gram
Langkah selanjutnya adalah menentukan volume dari SnO2, dengan menggunakan persamaan:
48
m V
dengan : ρ : density / massa jenis SnO2 ( 6,95 gram/cm3 ) m : massa SnO2
( 0,012 gram )
V : Dimensi / volume
( satuan volume )
maka : V
V
m
....................................................................................................(3.8)
0,012g 6,95g / cm3 0,001726cm3
Dengan menentukan tebal lapisan, maka luas dari lapisan sensor akan diperoleh. Secara umum bentuk dari lapisan sensor adalah seperti dalam Gambar 3.6
Gambar 3.6 Konstruksi Lapisan Sensor
Dari Gambar 3.6 dapat diketahui bahwa :
V
A t ................................................................................................(3.9)
dengan : A adalah luas permukaan lapisan sensor (cm2) t adalah tebal permukaan lapisan sensor (50Ωm = 5.10-3cm).
49
Sehingga dapat diketahui luas permukaan lapisan sensor sebagai berikut : A V
t 0.00172cm3 0.36cm
0.005cm
2
Jadi didapatkan luas permukaan lapisan sensor 0,36 cm2, bisa diasumsikan sebagai 0,6 cm x 0,6 cm. Namun pada pelaksanaannya nanti, dimensi 6 mm x 6 mm tersebut diwakili oleh dimensi lapisan coating yang akan dibahas setelah ini. Sehingga, dimensi dari lapisan sensor diasumsikan menjadi 6.5 mm x 6.5 mm. Sehingga dihasilkan desaian layout seperti dalam Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Desain Layout Lapisan Sensor
Perancangan Elektroda Elektroda yang digunakan pada thick film gas sensor pada umumnya adalah sepasang elektroda berbentuk interdigital fingers dari bahan nobel metal misalnya Ag. Struktur tersebut dimaksudkan untuk meminimalisasi ruang namun dapat mengoptimalkan daerah sensing, serta memudahkan dalam penentuan nilai resistans.
50
Adapun stuktur yang direncanakan adalah seperti dalam Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Rencana Struktur Elektroda
Dari luasan lapisan sensor yang diperoleh dari persamaan (3.9) yaitu 6 mm x 6 mm, maka pasangan elektroda yang direncanakan haruslah memiliki luasan efektif yang sama, luasan yang dimaksud ditunjukkan dalam Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Desain Luas Efektif Elektroda
Selanjutnya dengan mengacu pada Gambar 3.9, diasumsikan bahwa masing masing jari memiliki lebar 0.4 mm, panjang 5 mm, dengan jarak antar masing-masing jari 0.4 mm. Dari asumsi - asumsi tersebut, dihasilkan elektroda yang memiliki 4 pasang interdigitated fingers dalam area 6 mm x 6 mm. Secara rinci dapat dilihat dalam Gambar 3.10
51
Gambar 3.10 Desain Struktur Interdigitated fingers
Penentuan nilai resistans pada elektrode ini sama dengan penentuan nilai resistans resistor teknologi film tebal pada umumnya. Selanjutnya untuk melakukan perhitungan nilai resistans elektroda dalam penelitian ini, hasil perancangan sebelumnya yaitu Gambar 3.9 dan Gambar 3.10, dapat dibagi menjadi bagian – bagian seperti dalam Gambar 3.11.
Gambar 3.11 Perhitungan Resistans Elektroda
Dari persamaan (2.18) dan Gambar 3.11 dapat dihitung nilai resistans efektif masing – masing elektroda sebagai berikut:
52
Rel
l1 w
4
l2 w
0.56 Rs .............................................................. (3.10)
dengan: Rel adalah nilai resistans elektroda efektif (Ω) l1 adalah panjang jalur konduktor horisontal (mm) l2 adalah panjang jalur konduktor vertikal (mm) w adalah lebar jalur konduktor (mm) Rs adalah nilai lembar resistans (mΩsquare) Dalam penelitian ini pasta yang digunakan adalah pasta Ag (perak) dengan Rs = 20 mΩ/square. Dari perancangan dalam Gambar 3.11 diketahui bahwa l1=4.8mm, l2=1.2mm, dan w=0.4mm, maka dari persamaan (3.10) didapatkan nilai resistans efektif Rel elektroda sebagai berikut:
Rel
4
4.8 1.2 0.56 20 m square 0.4 0.4
4 12 3 0.56 20m 4 15.56 20m 4 311.2m 1244.8m 1.2448 Jadi dari perhitungan diatas didapatkan nilai resistans efektif masing – masing elektroda sebesar 1.2448 Ω.
53
Gambar 3.12 Desain Layout Elektroda Sensor
Adapun bentuk elektroda (Interdigital Finger) dirancang seperti gambar 3.12 karena mempertimbangkan agar meminimalisasi ruang dan memaksimalkan daerah sensing. Hal ini dapat dihubungkan dengan waktu transit elekron. Wt=L/µE. Dimana L adalah jarak antar finger, µ adalah mobilitas pembawa muatan yang berhubungan dengan karakteristik bahan semikonduktor ( SnO2), dan E adalah medan listik /tegangan yang diberikan (dalam hal ini diharapkan tegangan yang diberikan kecil agar konsumsi dayanya rendah). Pada elektroda ini terjadi persambungan
logam (Ag) dengan bahan
semikonduktor (SnO2) yang menimbulkan kapasitansi. Kapasitansi dipasang seri sehingga mengakibatkan kapasitansinya berkurang, maka desain jarak antar finger dipasang saling berdekatan untuk meminimalisasi ruang. Tabel 3. 1 Keterangan Dimensi Layout Elektroda
Keterangan
Ukuran (mm)
Panjang Elektroda
14.5
Lebar Elektroda
9
Lebar jari-jari elektroda
0.4
Jarak antar jari-jari elektroda
0.4
Panjangxlebar pad elektroda
4x4
54
Perancangan Pemanas (Heater) Temperatur adalah salah satu faktor terpenting yang menentukan keberhasilan dari sensor gas teknologi film tebal ini. Distribusi temperatur yang sesuai akan mempengaruhi tingkat selektifitas dan sensitifitas dari elemen sensor ini. Pemanas ini dirancang terletak tepat di sisi belakang substrat (berkebalikan dengan elektroda). Untuk menentukan karakteristik dari heater, parameter – parameter yang harus diperhatikan diantaranya adalah: suhu yang diinginkan, daya yang dibutuhkan, dan luasan daerah yang ingin dipanasi, serta karakter dari bahan heater itu sendiri (TCR, disipasi arus maksimum yang mampu melewati, dll). Untuk itu, langkah pertama yang dilakukan adalah menentukan karakteristik heater yang diinginkan, yaitu : Th
: Temperatur kerja
(300°C)
Tc
: Temperatur awal
(25°C)
P
: Daya pada temperatur kerja (3W)
TCR
:Temperature Coefficient Resitance (3600)
Langkah selanjutnya adalah menentukan nilai resistans heater pada temperatur kerja (RH). Perhitungan nilai
RH
diawali dengan menentukan
tegangan sumber, sumber tegangan yang digunakan adalah sebesar 3V. Tegangan sumber sebesar 3 V dipilih dengan pertimbangan dengan daya 3 W maka nantinya bisa dihasilkan arus kerja yang cukup yang sesuai dengan karakteristik bahan yang digunakan. Selain itu juga mempertimbangkan segi kepraktisan karena sumber tegangan 3V sudah banyak tersedia di pasaran dengan berbagai macam tipe ( seperti misalnya battery ).
55
Dengan sumber 3V dan daya yang diinginkan 3W, maka arus kerja heater adalah : I
P
V 3W
3V
............................................................................................. (3.11)
1A
Dengan demikian sesuai persamaan (2.19), nilai resistans heater pada suhu operasi ( RH ) adalah :
RH RH
V
I 3V 1A 3
Jadi nilai resistans heater pada suhu operasi ( RH ) adalah 3Ω. Selanjutnya dengan menentukan nilai TCR dari data sheet (TCR=3600 ppm/°C), temperatur awal (TC = 25°C), dan temperatur operasi (TH = 300°C), serta memasukkan nilai RH hasil persamaan (2.20) ke persamaan (2.21), maka akan didapat nilai resistans heater pada suhu acuan (RC). Seperti dijelaskan pada Bab 2, persamaan (2.20) adalah sebagai berikut:
TCR
RH RC
RC TH
106 TC
dengan : TCR
: Temperature Coefficient Resitance
RH
: Resistans pada suhu operasi (Ω)
56
RC
: Resistans pada suhu acuan (Ω)
TC
: Suhu acuan (oC)
Maka nilai resistans heater pada suhu acuan (RC), adalah sebagai berikut:
3
3600
RC
3 RC 275RC
3600 106 0.99RC
3 RC
1.99RC
3
RC
RC 106 ............................................................. (3.12) 300o C 25o C
1.50
Setelah nilai RC didapat, maka dapat ditentukan dimensi dari heater, yaitu
RC
RS
l w
dengan : RS
: nilai lembar resistans = 20 mΩ/sq,
l
: panjang konduktor heater (mm), dan
w
: lebar konduktor heater diasumsikan = 0.4 mm,
maka sesuai persamaan (2.20), panjang konduktor heater (l) dapat ditentukan, sebagai berikut :
57
RC 1 .5 1 .5 20.10
RS
l w
20m
3
l
l 0.4mm
l 0.4mm 75 0.4mm 30mm 3cm
Jadi heater yang dibuat memiliki panjang 3 cm, dibentuk menyerupai spiral dalam luas area maksimum 1 cm2. Ditentukan 1 cm2 dimaksudkan supaya heater dapat mencakup seluruh bagian elektroda di sisi baliknya. Dari persamaan (2.22) dihasilkan nilai Rc = 1.5 , nilai ini hanya nilai resistansi dari elemen heater (bagian yang berbentuk spiral), belum ditambah dengan nilai R kaki – kaki. Perhitungan nilai R heater menjadi :
R Rc Rkaki ........................................................................................(3.13) R 1.5 1.5 1.5 1.5 1.58
2 square Rs 2 2 Rs (4 20m ) 80m
Sehingga dihasilkan desain layout seperti dalam Gambar 3.13.
58
Gambar 3.13 Desain LayOut Heater
Adapun bentuk heater dirancang seperti gambar 3.13 dibentuk menyerupai spiral dalam luas area maksimum 1 cm2. Ditentukan 1 cm2 dimaksudkan supaya heater dapat mencakup seluruh bagian elektroda di sisi baliknya jadi heater yang dibuat memiliki panjang 3 cm. Untuk menentukan karakteristik dari heater, parameter – parameter yang harus diperhatikan diantaranya adalah: suhu yang diinginkan, daya yang dibutuhkan, dan luasan daerah yang ingin dipanasi, serta karakter dari bahan heater itu sendiri (TCR, disipasi arus maksimum yang mampu melewati, dll). Adapun dimensi heater dalam Gambar 3.13 dijelaskan pada Tabel 3.2 berikut. Tabel 3.2 Keterangan Layout Heater
Keterangan
Ukuran (mm)
Panjang Heater
14.5
Lebar Heater
9
Lebar jalur Heater
0.4
Jarak antar jalur Heater
0.4
Panjang x lebar pad Heater
4x4
Layout Sensor Untuk membuat pola pada screen (masker), dari hasil perancangan layout komponen – komponen diatas, dibuat menjadi ortho-film pada semacam plastik mika. Dalam Gambar 4.16, ditunjukkan layout komponen sensor secara keseluruhan, masing – masing pada plastik mika berukuran 5 cm x 5 cm.
59
Elektroda
Lapisan SnO 2
Heater
Gambar 3.14 Keseluruhan ortho-film Sensor 3.4.3
Proses Pembuatan Sensor dan Pabrikasi sensor
A. Pembuatan Screen Peralatan dan Bahan Peralatan dan bahan yang digunakan pada proses penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Screen. Screen yang digunakan memiliki kerapatan 325 mesh. 2. Kamar Gelap, ruangan ini digunakan sebagai tempat pelapisan masker pada screen. 3. CDF 3 (Capilarry Direct Film), yaitu emulsi film yang digunakan sebagai bidang cetak tembus. Karakteristik CDF 3 yakni tidak boleh terkena sinar/cahaya secara langsung, suhu udara kurang dari 27 C, kelembaban normal, ketebalannya 30 m. 4. Ulano 133, adalah suatu bahan emulsi yang digunakan sebagai pelapis (filler) bidang screen yang tidak tertutup oleh CDF 3 seperti tampak dalam Gambar 3.15.
60
Gambar 3.15 Ulano 133 5. Ulano 5, adalah bahan berupa emulsi berfungsi sebagai pembersih screen dari bekas pembuatan screen sebelumnya seperti tampak dalam Gambar 3.16.
Gambar 3.16 Ulano 5 6. Ulano 23, adalah bahan berupa emulsi pembersih screen dari kotoran lemak atau minyak seperti tampak dalam Gambar 3.17.
Gambar 3.17 Ulano 23 7. Screen Maker, merupakan alat penyinaran menggunakan sinar ultra violet. Screen maker yang digunakan adalah “Screen Maker 3000T Richmond“ seperti tampak dalam Gambar 3.18.
61
Gambar 3.18 Screen Maker 3000T Richmond Proses Pembuatan Screen Screen berfungsi sebagai pembentuk pola dan turut menentukan ketebalan pasta yang diendapkan pada substrat. Screen terdiri atas bahan tertentu yang berlubang-lubang yang diregangkan pada suatu frame yang biasanya terbuat dari aluminium. Proses pembuatan screen merupakan langkah dasar dalam teknologi film tebal. Pemindahan pola ke screen dilakukan melalui proses fotografi. Jumlah masker yang dibutuhkan dalam pembuatan screen sensor gas adalah tiga buah yaitu masker untuk konduktor, heater, dan lapisan sensor. Secara sistematis, proses pembuatan screen dapat dilihat dalam Gambar 3.19
62
Gambar 3.19 Langkah – Langkah Proses Pembuatan Screen
Screen yang digunakan adalah dari bahan stainless steel berukuran 20 cm x 20 cm dengan kerapatan (mesh) 325. Sebagai langkah awal, screen dibersihkan dari bekas pembuatan screen sebelumnya dengan menggunakan pelarut emulsi ulano 5. Setelah screen dalam kondisi bersih dan kering, selanjutnya adalah mempersiapkan emulsi film (CDF 3) dalam sebuah ruangan dengan intensitas cahaya rendah. Kertas film CDF 3 dipotong dengan ukuran 10 cm x 10 cm kemudian
bagian
emulsinya
diletakkan
ditengah-tengah
bidang
screen.
Selanjutnya bagian tengah screen tersebut dipolesi dengan ulano 133 secara merata lalu dikeringkan, setelah benar-benar kering lapisan plastik/mylar pada CDF 3 dilepaskan dari screen dengan hati-hati.
63
Sebuah ortho-film diletakkan ditengah-tengah bidang screen tersebut dan tepinya direkatkan isolasi agar tidak bergeser. Kemudian screen diletakkan ditengah-tengah bidang penyinaran pada mesin penyinaran. Mesin Penyinaran (Screen Maker 3000T Richmond) berfungsi untuk menyinari screen agar terbentuk pola ortho-film pada CDF-3 yang tidak tertembus cahaya. Mesin tersebut tampak dalam Gambar 3.18. Proses fotografi dilakukan selama kurang lebih 10 menit. Pada proses ini pola ortho-film yang menutupi lintasan cahaya bereaksi terhadap bahan emulsi film (CDF-3) sehingga pola dapat terbentuk. Setelah penyinaran ortho-film selesai, screen lalu disemprot dengan air bertekanan tinggi secara hati-hati agar pola yang terbentuk tidak rusak. Setelah pola tampak dan terbentuk dengan baik maka screen dikeringkan dan dibiarkan selama 15 menit. Selanjutnya, sisa bidang yang tidak tertutupi dengan CDF-3 diberi filler (Ulano-133) kemudian diratakan dengan menggunakan rakel, lalu dikeringkan, agar lebih baik dibiarkan mengering selama 24 jam. Demikianlah proses yang sama dilakukan terhadap semua masker sensor gas. Dari serangkaian proses diatas, didapatkan screen yang sudah terbentuk polanya, salah satunya seperti dalam Gambar 3.20.
64
Gambar 3.20 Screen Yang Sudah Berpola
B. Pembuatan Heater dan Elektroda Bahan dan Peralatan Bahan dan peralatan yang digunakan dalam proses ini adalah: 1. Pasta Pasta yang digunakan merupakan pasta konduktor dari bahan perak (Ag) dengan nilai lembar resistans (Rs) sebesar 20 mΩ/sq. Dalam penelitian ini digunakan pasta perak karena harganya murah, daya lekatnya tinggi, mudah disolder, dan memiliki konduktifitas listrik yang baik. Gambar pasta dapat dilihat dalam Gambar 3.21.
Gambar 3.21 Pasta Konduktor Perak
2. Substrat Substrat merupakan media dari bahan keramik tempat menempelnya pasta. Dalam penelitian ini digunakan substrat Alumina (Al2O3) 96% dengan ukuran 5
65
cm x 5 cm dengan ketebalan 0.7 mm karena alumina memiliki kekuatan mekanik yang baik, tahan pada suhu tinggi, bersifat inert, merupakan isolator elektrik yang baik, konstanta dielektrik nya rendah (menghindari efek kapasitas parasitic), dan memiliki daya hantar termal yang tinggi. 3. Screen Printer Screen printer berfungsi untuk mencetak pasta keatas permukaan substrat sesuai dengan pola screen. Pada screen printer ini terdapat fasilitas pengaturan posisi dan tekanan terhadap substrat sehingga gerakan rakel pada proses pencetakan dapat bekerja dengan baik. Screen printer yang digunakan adalah tipe Accu Coat 3230 Ossining NY 10562 produksi Aremco Product Inc, seperti tampak dalam Gambar 4.24.
Gambar 3.22 Screen Printer Accu Coat 3230 Ossining NY 10562
4. Oven Oven digunakan sebagai pengering setelah proses pencetakan yang dapat diatur suhu dan lamanya pengeringan, seperti dalam Gambar 3.23.
66
Gambar 3.23 Oven Pengering
5. Tungku Pembakaran (belt furnace) Tungku pembakaran melakukan proses pemanggangan dengan suhu dan waktu pemanggangan yang bisa deprogram sesuai dengan karakter pasta. Profil suhu tungku pembakaran terbagi menjadi tiga bagian yaitu Daerah pemanasan awal (Preheat Zone), daerah panas (Hot Zone), dan daerah pendinginan (Cooling Zone). Jenis tungku yang digunakan adalah Conveyor Belt Furnace RTC LA310, seperti ditunjukkan dalam Gambar 3.24.
Gambar 3.24 Conveyor Belt Furnace RTC LA-310
67
Proses Pabrikasi Heater dan Elektroda Langkah – langkah yang dilakukan dalam proses ini dapat dijelaskan dalam Gambar 3.25.
Gambar 3.25 Langkah – Langkah Proses Pabrikasi Heater dan Elektroda
Langkah selanjutnya adalah proses pencetakan, lapisan pertama yang dicetak adalah elektroda. Screen dengan pola elektroda diatur sedemikian rupa pada screen printer sehingga pola elektroda yang akan dicetak berada pada posisi yang tepat diatas bidang permukaan substrat. Selanjutnya dilakukan pengaturan jarak snap-off dan tekanan rakel pada screen printer. Setelah itu dilakukan proses pencetakan dengan pasta konduktor dari bahan emas. Nama produk pasta yang digunakan adalah pasta perak, seperti tampak dalam Gambar 3.21. Setelah lapisan elektroda tercetak dengan benar, hasil cetakan didiamkan selama kurang lebih 5 menit, supaya permukaan cetakan menjadi halus dan ikatan
68
pasta menjadi kuat. Selanjutnya dilakukan pengeringan dengan menggunakan oven. Temperatur yang digunakan adalah 150°C selama 10 menit. Pengeringan dilakukan supaya lapisan elektroda tadi menjadi keras. Sampai tahap ini, lapisan elektroda masih bisa dihapus dengan menggunakan thiner jika diinginkan pengulangan proses pencetakan. Setelah proses pengeringan lapisan elektroda, langkah selanjutnya yang dilakukan adalah proses pencetakan lapisan heater. Pasta yang digunakan untuk lapisan heater ini sama dengan pasta untuk lapisan elektroda, yaitu pasta perak. Proses ini sama dengan proses pencetakan lapisan elektroda. Pencetakan heater dilakukan tepat dibelakang lapisan elektroda. Oleh karena itu diperlukan pengaturan letak masker heater yang cermat sebelum proses pencetakan supaya posisi lapisan heater tepat dibalik lapisan elektroda. Seperti pada lapisan elektroda, setelah proses pencetakan, lapisan heater juga didiamkan selama 5 menit baru kemudian dikeringkan dalam oven dengan temperatur 150°C selama 10 menit. Setelah
proses
pengeringan,
langkah
selanjutnya
adalah
proses
pembakaran. Pembakaran dilakukan dengan menggunakan tungku pembakaran (conveyor belt furnace RTC LA-310) yang bisa diatur temperatur dan kecepatannya melalui komputer dan program yang sudah built in. Gambar tungku pembakaran bisa dilihat dalam Gambar 3.24. Pengaturan temperatur dilakukan pada tiga zone pembakaran dengan temperatur puncak 850 oC dan lamanya kurang lebih 45 menit. Setelah proses pembakaran, didapatkan hasil seperti dalam Gambar 3.26.
69
Gambar 3.26 Hasil Pembakaran Lapisan Heater
C. Pelapisan SnO2 Bahan dan Peralatan Proses selanjutnya adalah pelapisan lapisan sensor SnO2, adapun bahan dan peralatan yang digunakan adalah: 1. Masker Screen yang digunakan masih sama dengan proses sebelumnya yaitu dari bahan stainless steel dengan kerapatan mesh 325. 2. Serbuk SnCl2
Gambar 3.27 Bahan Lapisan Material Sensor (SnCl2) 3. Cairan Propanol, Isopropanol dan air sebagai bahan preparasi pasta SnO2.
70
4. Screen printer, screen printer yang digunakan tetap sama seperti yang digunakan pada proses sebelumnya, yaitu Accu Coat 3230 Ossining NY 10562 produksi Aremco Product Inc. 5. Alat Penggerus Pembentukan Pasta SnO2 Persiapan Pasta SnO2 SnCl2 : Air : Propanol (C3H7OH) : Isopropanol (2- C3H7OH) dengan perbandingan massa 5 : 7 : 7 : 6.
Penghalusan serbuk SnCl2 Ditumbuk selama 1 jam
Campurkan 5 gram SnCl2 ke dalam 2/3 bagian propanol, kemudian ditambahkan 1/3 air
Aduk selama 1 jam sambil dipanaskan dengan suhu 800C lalu firing dengan suhu 300oC
Campurkan sol yang dihasilkan dengan sisa air, Propanol, dan Isopropanol lalu diaduk kembali selama 1 jam.
Di dapatkan pasta yang jernih dan homogen
Gambar 3.28 Diagram pembentukan Pasta SnO2
Preparasi pasta SnO2 dilakukan dengan langkah sebagai berikut :
71
1. Mempersiapkan bahan-bahan dengan komposisi campuran SnCl2 : Air : Propanol (C3H7OH) : Isopropanol (2- C3H7OH) dengan perbandingan massa 5 : 7 : 7 : 6. 2. Mula – mula SnCl2 dihaluskan dengan cara ditumbuk selama 1 jam. 3. Masukkan serbuk SnCl2 ke dalam 2/3 bagian propanol, kemudian ditambahkan 1/3 air sambil diaduk selama 1 jam sambil dipanaskan dengan suhu 800C untuk proses prehidrolisis larutan Sn. Kemudian di firing dengan suhu 3000C. 4. Selanjutnya sol yang dihasilkan dicampur dengan sisa air, Propanol, dan Isopropanol lalu diaduk kembali selama 1 jam sehingga dihasilkan pasta yang jernih dan homogen. Proses Pabrikasi Lapisan SnO2 Langkah pertama dalam proses ini ialah mengatur masker lapisan sensor pada screen printer sehingga nantinya lapisan material sensor bisa tercetak tepat diatas lapisan elektroda. Pengaturan juga dilakukan pada tekanan rakel sesuai dengan ketebalan lapisan yang diinginkan. Langkah selanjutnya adalah proses pencetakan. Lapisan material sensor (SnO2) yang berupa serbuk dilarutkan terlebih dahulu dengan cairan propandiol hingga berubah menjadi pasta, sehingga bisa dilapiskan pada substrat menggunakan screen printer.
72
Setelah proses pencetakan, hasil pencetakan tidak perlu lagi dibakar seperti pada proses heater dan elektroda, namun cukup hanya dengan dikeringkan pada suhu 150°C. Proses Pemotongan Substrat dan Pemasangan Kaki – Kaki Sensor Peralatan yang digunakan untuk memotong substrat adalah berupa sebuah alat pemotong substrat manual seperti tampak dalam Gambar 3.29. Alat ini berfungsi untuk memotong substrat sesuai dengan yang diinginkan. Adapun proses pemotongan dilakukan secara manual dengan cara menggesekkan pemotong diatas substrat lalu dipatahkan, seperti halnya teknik pemotongan keramik. Sedangkan untuk pemasangan kaki-kaki sensor, digunakan konektor berpenjepit dari bahan stainless yang dipasangkan dengan cara disolder.
Gambar 3.29 Alat Pemotong Substrat Hasil Akhir Proses Pabrikasi Divais Sensor Hasil akhir dari keseluruhan proses pabrikasi, dapat dilihat dalam Gambar 3.30.
73
Gambar 3.30 Hasil Akhir Sensor Gas dibandingkan dengan alat tulis 3.4.4
Pengujian Sensor
A. Tujuan Pengujian 1. Mengetahui bagaimana pengaruh perubahan konsentrasi gas CO resistansi sensor SnO2. 2. Mengetahui bagaimana pengaruh temperatur operasional terhadap resistansi sensor. B. Peralatan dan Bahan Sumber arus searah (Kenwood Regulated Power Supply tipe PD1830AD). Multimeter digital ( Sanwa Digital Multimeter PC100) Thermometer digital (Lutren TM-914C). Chamber Tabung Gas CO
74
B. Prosedur Pengujian Pengujian Perubahan Resistansi Sensor Terhadap Temperatur
Gambar 3.31 Pengujian Perubahan Resistansi Sensor terhadap temperatur
Rangkaian pengujian disusun seperti dalam Gambar 3.31 Sumber arus searah diberikan untuk menghasilkan panas pada heater yang selanjutnya merubah resistans sensor. Masukan heater berupa arus searah sebesar 1.3 A. Dengan memvariasikan suhu kerja dimulai dari 100-1800C didapatkan perubahan pada resistansi sensor.
Pengujian
perubahan
Resistansi
sensor
terhadap
perubahan
konsentrasi gas CO Rangkaian pengujian disusun seperti dalam Gambar 3.32 Sumber arus searah diberikan sebesar 1.3 A. Nilai temperatur awal (Tc) diukur pada temperatur ruangan saat pengujian, dan pada udara bersih (tanpa gas CO). Resistansi awal (Ro) diukur ketika dalam udara bersih (tanpa gas CO).
75
Interval gas CO adalah 250 ppm-1250 ppm. Dengan memvariasikan konsentrasi gas antara 250 ppm-1250 ppm didapatkan perubahan resistansi sensor.
Gambar 3.32 Pengujian Tanggapan Sensor Terhadap Rangsangan Gas
3.4.5
Alat Karakterisasi Pada penelitian ini dilakukan analisis untuk mengetahui struktur Kristal
dengan X-RD (X-Ray Difraction). Untuk mengetahui komposisi senyawa yang terbentuk dengan menggunakan EDS (Elektron Difraction Spectrocopy) dan morfologi Kristal dengan SEM (Scanning Electron Mikroskopic) dengan merk JEOL JSM 6360 LA.
