SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN

Transkripsi

1 Pidato Ilmiah Guru Besar Profesor Mitra Djamal SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN Balai Pertemuan Ilmiah ITB Hak cipta ada pada penulis

2 Pidato Ilmiah Guru Besar Profesor Mitra Djamal SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN Hak cipta ada pada penulis

3 Judul: SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN Disampaikan pada sidang terbuka ITB, tanggal. Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apapun, baik secara elektronik maupun mekanik, termasuk memfotokopi, merekam atau dengan menggunakan sistem penyimpanan lainnya, tanpa izin tertulis dari Penulis. UNDANG-UNDANG NOMOR 19 TAHUN 2002 TENTANG HAK CIPTA 1. Barang siapa dengan sengaja dan tanpa hak mengumumkan atau memperbanyak suatu ciptaan atau memberi izin untuk itu, dipidana dengan pidana penjara paling lama 7 (tujuh) tahun dan/atau denda paling banyak Rp ,00 (lima miliar rupiah). 2. Barang siapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual kepada umum suatu ciptaan atau barang hasil pelanggaran Hak Cipta atau Hak Terkait sebagaimana dimaksud pada ayat (1), dipidana dengan pidana penjara paling lama 5 (lima) tahun dan/atau denda paling banyak Rp ,00 (lima ratus juta rupiah). Hak Cipta ada pada penulis Data katalog dalam terbitan Dan bahwasanya seorang manusia tiada memperoleh selain apa yang telah diusahakannya. Dan bahwasanya usahanya itu kelak akan diperlihatkan (kepadanya). Kemudian akan diberi balasan kepadanya dengan balasan yang paling sempurna. --- QS An Najm: Mitra Djamal SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN Disunting oleh Mitra Djamal Bandung: ITB, 2010 viii+78 h., 17,5 x 25 cm ISBN Teknologi 1. Mitra Djamal ii iii

4 PENGANTAR Segala puji dan syukur kita persembahkan kepada Allah yang Maha Rahman lagi Maha Rahim, yang telah memberikan ilmu dan hikmah kepada hamba-nya. Berkat kemudahan-kemudahan yang diberikan-nya pada penulis, memungkinkan penulis mampu menyelesaikan dan menyampaikan orasi ini sebagai bentuk komitmen dan pertanggungjawaban akademik penulis yang mendapat amanah jabatan Guru Besar. Terima kasih yang sebesar-besarnya kepada yang telah memberi kesempatan penulis untuk menyampaikan orasi berjudul Sensor dan Sistem Sensor: State of the Art, Kontribusi dan Perspektif Pengembangannya di Masa Depan Besarnya kompetisi di pasar bebas mengharuskan pengembangan instrumen yang terus menerus, baik dari sisi kualitas, harga maupun keandalannya. Meningkatnya kebutuhan untuk otomatisasi, keamanan dan kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem sensor baru dengan prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Saat ini teknologi sensor telah memasuki bidang aplikasi baru dan pasar yang semakin meluas seperti otomatif dan rumah cerdas (smart home). Pada waktu yang bersamaan sensor dan sistem sensor juga menempati posisi yang sangat penting untuk penelitian dan pengembangan hampir di semua bidang. Dalam tulisan ini disajikan beberapa fakta perkembangan teknologi iv v

5 DAFTAR ISI sensor pada saat ini, yang meliputi struktur sensor, teknologi pembuatannya, dan proses pengolahan sinyalnya. Ke tiga komponen ini memegang peranan yang sangat penting bagi perkembangan bidang sensor dan sistem sensor. Beberapa kontribusi utama penulis dalam bidang sensor dan sistem sensor dipaparkan dalam bagian ke dua tulisan ini. Kontribusi itu meliputi pengembangan sensor koil datar dan aplikasinya untuk mengukur getaran, pengembangan sensor magnetik fluxgate dan beberapa aplikasi penerapannya, dan pengembangan material Giant Magnetoresistance dan aplikasinya. Perspektif pengembangan sensor dan sistem sensor di masa mendatang dipaparkan pada bagian ke tiga tulisan ini. Beberapa pengamat memprediksi bahwa masa mendatang akan ditandai oleh era full otomatisasi atau robotisasi. Untuk ini diperlukan banyak sekali sensor yang murah, ringan, berukuran kecil, reliably, dan dilengkapi dengan sistem komunikasi wireless. Era ini disebut juga sebagai era sensorisasi. Suatu tantangan yang menarik. Besar harapan kami tulisan ini dapat memberi manfaat pada bidang sensor dan sistem sensor khususnya dan ilmu pengetahuan dan industri umumnya. Wassalam, Bandung, PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v 1. PENDAHULUAN STATE OF THE ART TEKNOLOGI SENSOR Struktur Sensor Teknologi Sensor Pengolahan Sinyal Pengolahan sinyal sensor secara individu Pengolahan sinyal sistem multi sensor KONTRIBUSI RISET DAN PENGEMBANGAN Sensor Berbasis Koil Datar Sensor Getaran Pemodelan Sensor Getaran Tranformasi Fourier Sensor Berbasis Fluxgate Prinsip Sensor Fluxgate Desain dan Pengembangan Sensor Fluxgate Pengembangan Sensor Fluxgate dengan Teknologi PCB Aplikasi Sensor Fluxgate Mitra Djamal Sebagai Sensor Medan Magnet Lemah DC vi vii

6 Sebagai Sensor Kuat arus Sebagai Sensor Muai Panjang Sebagai Sensor Jarak (proximity sensor) SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN Sebagai Sensor Getaran Sensor berbasis Material GMR Pendahuluan Prinsip GMR Aplikasi Sensor GMR Pengukuran Medan Magnetik Pengukuran Arus Pengukuran Putaran Aplikasi GMR untuk Biosensor PENGEMBANGAN SENSOR DI MASA DEPAN: SUATU PERSPEKTIF Revolusi Industri Tahap ke Tiga Sistem Sensor Smart Terintegrasi UCAPAN TERIMA KASIH REFERENSI CURRICULUM VITAE PENDAHULUAN Besarnya kompetisi di pasar bebas mengharuskan pengembangan instrumen yang terus menerus baik dari sisi kualitas, harga maupun keandalannya. Meningkatnya kebutuhan untuk otomatisasi, keamanan dan kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem sensor baru dengan prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Saat ini teknologi sensor telah memasuki bidang aplikasi baru dan pasar yang [2] [3] semakin meluas seperti otomatif dan rumah cerdas (smart home). Pada waktu yang bersamaan sensor dan sistem sensor juga menempati posisi yang sangat penting untuk penelitian dan pengembangan hampir di semua bidang. [1] R&D 3% lingkungan rumah 3% 3% perlengkapan profesional 4% Gambar 1: Ekstrapolasi data kebutuhan sensor tahun 2010 [4] komunikasi & IT 9% medis 10% bangunan 11% lainnya 12% otomotif 26% teknologi pengolahan 19% viii 1

7 Dari data mengenai pasar sensor dunia diketahui bahwa perkembangan rata-rata produksi sensor dalam sepuluh tahun terakhir meningkat 4.5% setiap tahunnya, dengan prediksi komposisi kebutuhan pada tahun 2010 ditunjukkan pada Gambar 1. Terlihat bahwa pasar otomotif menempati segmen terbesar yakni 26% dari pasar dunia, disusul dengan teknologi pengolahan 19%, bangunan 11% dan kesehatan 10%. Tantangan utama teknologi sensor masa kini adalah mengukur besaran-besaran yang selama ini sulit atau tidak bisa diukur dan meningkatkan nilai informasi sensor dengan menggunakan metodametoda pengukuran yang sudah dikenal. Dalam pengembangan sensor [4] [5] Peningkatan kemampuan sensor secara umum dapat dicapai dengan melakukan pemilihan yang tepat terhadap teknologi manufaktur, struktur sensor dan pengolah sinyalnya. Penggunaan teknologi baru untuk menghasilkan sensor-sensor tertentu tidak langsung berkaitan dengan peningkatan kemampuan sensor secara menyeluruh. Semakin banyak langkah-langkah teknologi proses yang dilakukan dalam membuat sensor atau sistem sensor maka akan semakin rumit teknikteknik yang diperlukan untuk mengatasi efek-efek sensor yang tidak diinginkan. Oleh karena itu untuk mendapatkan kemampuan sensor atau sistem sensor yang optimal perlu dipilih kombinasi yang tepat antara teknologi dengan sistem pengolah sinyal yang digunakan seperti dapat dilihat pada Gambar 2. [5] dan sistem sensor perlu dipilih prinsip-prinsip pengukuran yang cocok, pengukuran-pengukuran khusus perlu dikembangkan untuk meningkatkan kemampuan sensor. biaya dan permintaan. [6] Dalam hal ini perlu dikompromikan antara 2. STATE OF THE ART TEKNOLOGI SENSOR Secara umum sensor didefinisikan sebagai piranti yang mengubah rasio kinerja terhadap biaya pengolahan sinyal besaran-besaran fisis (seperti: magnetik, radiasi, mekanik, dan termal) [7] atau kimia menjadi besaran listrik, seperti terlihat pada Gambar 3. radiasi kimia mekanik teknologi magnet termal Gambar 2: Performansi sensor sebagai fungsi dari teknologi yang digunakan [5] dan sistem pengolah sinyalnya. Gambar 3: Definisi sensor [7] listrik 2 3

8 Kemampuan suatu sensor atau sistem sensor ditentukan oleh interaksi yang kuat dari tiga komponen utama pembentuknya, seperti struktur sensor, teknologi manufaktur dan algoritma pengolah sinyalnya. [1] Perkembangan teknologi sensor juga dipengaruhi oleh perkembangan dari ketiga bidang ini (Gambar 4). Struktur Sensor antarmuka pra-pengolah sensor besaran yang diukur sinyal sinyal analog sinyal digital sinyal kompatibel bus [1] Gambar 5: Struktur dasar suatu sistem sensor. Teknologi Manufaktur Pengolahan Sinyal Dengan semakin murahnya piranti pengubah sinyal analog ke digital, sistem pengolah sinyal semakin bergeser dari sistem level tinggi ke level sensor. Adanya fasilitas pengolahan sinyal digital pada sensor berkontribusi pada peningkatan kemampuan sensor, misalnya untuk mengatasi variasi keluaran sensor akibat proses fabrikasi yang dapat dilakukan [1] Gambar 4: Tiga komponen utama pembentuk teknologi sensor Struktur Sensor dengan mudah saat konfigurasi sensor. Untuk memudahkan integrasi antara sistem sensor dengan sistem level yang lebih tinggi diperlukan suatu sistem antarmuka yang tepat. Sistem ini dipenuhi oleh bus sensor. Bagian inti suatu sistem sensor adalah elemen sensor. Bagian ini mengubah besaran fisika atau kimia yang diukur menjadi sinyal analog elektronik (Gambar 5). Sinyal analog ini oleh unit pra pengolah sinyal diubah menjadi sinyal digital. 4 5

9 besaran yang diukur pengolahan sinyal pra-pengolah sinyal parameter eksitasi sensor unit tes mandiri dan kalibrasi mandiri informasi tambahan tentang perilaku sensor Besaran hasil pengukuran yang telah diketahui sebelumnya. Sebagai contoh sensor percepatan dengan struktur lingkar tertutup (closed loop) (Gambar 7). Gaya inersia yang bekerja pada massa dikompensasi oleh gaya pemulih yang dihasilkan secara elektronik. Dalam hal ini, test mandiri dapat dilakukan dengan menggunakan gaya pemulih yang sudah diketahui. Gaya Inersia F a m Defleksi z Sensor Posisi [6] [1] Gambar 6: Struktur sensor dengan tes mandiri dan kalibrasi mandiri. Gaya Pemulih F el Dalam perkembangan belakangan ini, sistem sensor dilengkapi dengan sistem tes mandiri (selft test) dan sistem kalibrasi mandiri (self calibration) yang terintegrasi dalam proses desain. Desain sensor semacam ini memberikan banyak keuntungan, antara lain peningkatan kehandalan dan mereduksi biaya instalasi dan biaya pemeliharaan. Struktur sensor dengan sistem tes mandiri dan kalibrasi mandiri berbeda dengan struktur sistem sensor standar, karena disini diperlukan informasi tambahan tentang perilaku sensor (Gambar 6). Secara umum, diperlukan informasi khusus tentang perilaku sensor dan batasan kemampuan sensor. Keadaan sensor dapat dimonitor dengan membandingkan keluaran sensor dengan nilai keluaran yang diprediksi berdasarkan hubungan [1] [6] Gambar 7: Sensor percepatan dengan struktur lingkar tertutup. Untuk kalibrasi mandiri, keluaran sensor dari masukan yang sudah tertentu digunakan untuk menghitung parameter sensor. Melalui kalibrasi mandiri, pengaruh efek penuaan dapat diperhitungkan, sehingga batas ketelitian pengukuran selama proses pengukuran dapat dijamin. Penempatan test mandiri dan kalibrasi mandiri secara terintegrasi di dalam sistem sensor memungkinkan desain sistem sensor yang bebas kalibrasi. Sebagai contoh pengukuran temperatur bebas I 6 7

10 kalibrasi berdasarkan prinsip hubungan p-n yang telah dikembangkan oleh Kanoun. [8] temperatur tanpa mengkalibrasi sensor pada temperatur referensi Teknologi Sensor Perkembangan yang sangat pesat pada teknologi sensor saat ini dimungkinkan karena adanya teknologi mikro. Teknologi ini menawarkan biaya produksi yang murah, ukuran yang lebih kecil, konsumsi daya yang lebih rendah, dan kehandalan yang lebih tinggi dibandingkan teknologi yang sebelumnya. Diantara teknologi-teknologi mikro yang ada, silicon micromachining adalah teknologi mikro yang paling banyak dikembangkan orang. Hal ini disebabkan karena bahan silisium mempunyai sifat-sifat yang baik, [9,10] Gambar 8: Pengukuran temperatur bebas kalibrasi berdasarkan prinsip hubungan p-n karakteristik i-u. [8] seperti bebas dari kesalahan histeresis dan mempunyai sifat mekanik yang baik. Metoda yang dikembangkan [8] mengukur temperatur dengan menggunakan arus sebagai besaran pengarah (steering quantity). Dengan cara ini ketergantungan pada sifat-sifat sensor dapat dieliminasi. Keuntungan utama dari metoda ini adalah bahwa karakteristik i-u dari suatu hubungan p-n tidak dipengaruhi oleh variasi manufaktur dan semua parameter dapat diukur secara simultan. Proses perhitungan ini diulang pada setiap proses pengukuran temperatur, sehingga tidak ada 2.3. Pengolahan Sinyal Adanya fluktuasi beberapa parameter yang terjadi selama proses fabrikasi, menyebabkan terjadinya variasi manufaktur. Faktor-faktor pengaruh seperti temperatur, tekanan, dan kelembaban dapat mempengaruhi karakteristik sensor. Efek penuaan dalam beberapa hal dapat mempengaruhi karakteristik sensor, seperti perubahan sensitivitas atau pergeseran titik nol. parameter yang tidak diketahui yang harus ditentukan sebelum pengukuran. Prinsip pengukuran ini memungkinkan pengukuran 8 9

11 Besaran yang diukur Perbedaan Manufaktur Faktor - faktor pengaruh Sensor Pengolahan Sinyal Efek Penuaan Gambar 9: Pengolahan sinyal sensor. [1] Sinyal pemilihan struktur sensor, penguatan sinyal, penyekalaan, linierisasi, dan konversi sinyal (Gambar 10). Besaran yang diukur Faktor -Faktor pengaruh Elemen Sensor Perlindungan terhadap kelebihan tegangan Rangkaian Operasi Antarmuka Sensor Penguatan, Linierisasi, Konversi Sinyal Pengolahan Sinyal Analog Amplitudo Frekuensi A/D-Converter Pengolahan sinyal sensor ditujukan untuk mengatasi efek-efek pengaruh (influence factors) sehingga didapat nilai yang terbaik dari hasil pengukuran (Gambar 9). Dengan teknik pengolahan sinyal yang sesuai maka karakteristik sistem sensor dan ketelitiannya dapat ditingkatkan secara signifikan Pengolahan sinyal sensor secara individu Sinyal keluaran dari suatu elemen sensor seringkali lemah atau sangat lemah. Untuk mendapatkan keluaran yang baik, sinyal ini perlu diperkuat, proses penguatan ini dilakukan oleh bagian pra pengolah Model Perhitungan dari Nilai Pengukuran Koreksi terhadap faktor pengaruh, Toleransi Manufaktur, Efek lama penyimpanan Pengolahan Sinyal Digital Nilai yang diukur sinyal. Dalam proses pra pengolah sinyal dilakukan beberapa hal, antara lain: pengukuran-pengukuran khusus untuk memastikan proses, [1] Gambar 10: Pengolahan sinyal sensor secara individu

12 Pengolahan sinyal sistem multi sensor Secara umum, sistem satu sensor hanya dapat menghasilkan informasi dari suatu keadaan lingkungan, sedangkan sistem multi sensor mengkombinasikan banyak data yang dihasilkan dari banyak sensor yang bekerja dengan prinsip yang sama dan/atau berbeda untuk mengukur besaran yang sama. Tujuan penggunaan sistem multi sensor adalah mendapatkan efek-efek sinergi untuk meningkatkan kualitas dan keberadaan informasi dari keadaan lingkungan yang sama. Umumnya sistem multi sensor digunakan untuk mendapatkan informasi yang akurat dan handal dari besaran yang diukur, tetapi tidak bisa diperoleh hanya dari satu sensor saja. Sebagai contoh penggunaan sensor ultrasonik dan sensor gelombang mikro (microwave) untuk mendeteksi keberadaan suatu objek, misalnya penyusup (intruder) (Gambar 11). [11] Sensor ultrasonik sangat peka terhadap gangguan panas, misalnya akibat turbulensi udara dan akibat pergerakan gorden. Sensor gelombang mikro dapat mendeteksi objek di luar ruang pengamatan dan dapat memberikan informasi yang salah akibat gangguan gelombang elektromagnetik. Kombinasi dari ke dua detektor ini dan penggunaan pengolah sinyal yang tepat memberikan hasil deteksi yang lebih dipercaya (reliability), karena ke dua sensor dipengaruhi oleh gangguan-gangguan yang berbeda. Sistem multi sensor juga digunakan untuk mengukur konsentrasi gas. Penggunaan satu sensor untuk mengukur konsentrasi gas biasanya tidak cukup untuk mendapatkan hasil pengukuran yang akurat. Penggunaan alat-alat analisa memberikan hasil yang cukup baik, tetapi harganya terlalu mahal, sehingga sulit diterapkan untuk banyak hal. Penggunaan beberapa sensor gas yang harganya relatif murah dalam suatu sistem multi sensor dapat meningkatkan kehandalan dan ketepatan hasil objek T x R x Modul Gelombang Mikro m(t) A/D Unit pengolahan Pergeseran Doppler Δl 0 pengukuran yang cukup signifikan. [12] v R x T x Modul Ultrasonik v(t) A/D Koinsidens frekuensi Gerak/kecepatan Pergeseran Doppler Δl 0 m v 3. KONTRIBUSI RISET DAN PENGEMBANGAN Sedikitnya ada 3 topik riset utama yang telah dikembangkan dan masih berjalan sampai saat ini, yakni sensor berbasis koil datar, sensor berbasis fluxgate, dan pengembangan material sensor berbasis bahan Gambar 11: Pengenalan objek menggunakan sistim multi sensor. [11] Giant Magnetoresistance (GMR)

13 3.1. Sensor berbasis koil datar (a) D j koil datar H (b) objek dj h Gambar 13: Tegangan keluaran sensor sebagai fungsi jarak. Dari Gambar 13 dapat diketahui bahwa sensor memiliki kepekaan 2,6 mv/µm. 800 Vo (mv) jarak ( m) Gambar 12: Sensor koil datar: (a) elemen koil datar dan (b) elemen koil datar di depan suatu bahan konduktor. Gambar 12 menunjukkan sistem sensor koil datar. Prinsip fisis sebuah sensor koil datar adalah berdasarkan arus eddy. Jika pada koil datar dialiri arus ac dan di depannya diletakkan suatu bahan konduktor, maka pada bahan konduktor akan terjadi arus eddy. Arus eddy ini akan [13] Sensor getaran Salah satu aplikasi dari elemen koil datar adalah sensor getaran. Sistem sensor getaran ini terdiri dari elemen koil datar, massa seismik, pegas dan kerangka (Gambar 14b). Sistem sensor ini telah dipatenkan. [15] menghasilkan induksi magnetik. Induktansi total antara koil datar dengan bahan konduktor merupakan fungsi dari jarak antara ke duanya. [14,15,16] Elemen sensor digunakan sebagai bagian dari osilator LC. Frekuensi pegas massa seismik bodi resonansi osilator adalah fungsi dari jarak. Dengan menggunakan rangkaian PLL (Phase Locked Loop) dilakukan perubahan dari frekuensi (a) elemen koil datar (b) resonansi menjadi tegangan. Gambar 13 menunjukkan tegangan keluaran sensor sebagai fungsi jarak. Gambar 14: Sensor getaran yang dikembangkan: (a) prototip sensor dan (b) diagram blok sensor

14 Gambar 15 menunjukkan desain massa seismik dan pegas. Untuk keperluan ini diperlukan bahan dengan kelentingan yang baik. Bahan dengan spesifikasi seperti ini dipenuhi oleh CuBe. massa seismik m Transformation (FFT), data posisi diubah menjadi frekuensi. Hubungan antara massa seismik, tetapan pegas, frekuensi dan amplitudo getaran dapat ditentukan dengan model getaran harmonik sederhana. pegas k m y deteksi getaran Gambar 16: Sistem getaran harmonik sederhana. Gambar 15: Desain massa seismik dan pegas. Sensor getaran ini ditempelkan pada objek yang akan diukur getarannya. Getaran suatu objek akan menggetarkan kerangka sensor. Getaran pada kerangka sensor akan menggetarkan massa seismik. Elemen koil datar yang diletakkan di depan massa seismik digunakan untuk mengukur posisi massa seismik setiap saat. Dengan mengetahui posisi Gambar 16 memperlihatkan sebuah sistem getaran harmonik sederhana. Dari hukum Hooke diperoleh hubungan: ma ky, (1) dengan m, a, k, y masing-masing massa seismik, percepatan massa seismik, tetapan pegas dan perpindahan pegas. Frekuensi resonansi dari massa seismik adalah: massa seismik setiap saat maka dapat ditentukan frekuensi dan amplitudo getaran yang diukur. f π k m (2) Menurut hukum Hooke [17], jika amplitudo getaran massa seismik kecil, maka akan linier dengan amplitudo sistem bergetar. Elemen koil datar akan mengukur posisi dari massa seismik secara dinamis. Menurut hukum Nyquist, minimum frekuensi sampling harus dua kali dari [18] frekuensi sistem bergetar. Dengan menggunakan Fast Fourier Karakteristik dari sistem pegas sensor getaran yang dikembangkan ditunjukkan pada Gambar 17. Untuk sistem sensor, lebih baik jika kepekaan massa seismik memiliki nilai maksimalnya. Dengan memilih nilai k dan m yang tepat dari bahan sensor, dapat ditentukan f0 yang sesuai dengan frekuensi kerja sensor. Gambar 17 menunjukkan karakteristik dari 16 17

15 sistem pegas sensor getaran yang dikembangkan pada percepatan 0.2 g. Tegangan keluaran diukur sebagai fungsi dari frekuensi. Frekuensi resonansi sistem pegas dicapai pada frekuensi 155 Hz V0 (Vpp) 20 V0 (Vpp) f (Hz) Gambar 17: Karakteristik sistem pegas sensor getaran yang dikembangkan. V o a, f m f a (3) dengan a, f, dan m masing-masing adalah percepatan, frekuensi, dan kemiringan kurva. Parameter kemiringan m adalah fungsi dari frekuensi. Dari Gambar 19, dengan menggunakan pendekatan matematika diperoleh hubungan: f m f (4) f V0 (mv) f=50hz f= 63 Hz f= 80Hz f= 100Hz f= 125 Hz percepatan (g) Pemodelan Sensor Getaran Kalibrasi dilakukan untuk menentukan karakteristik dari sensor getaran yang dikembangkan. Sebagai kalibrator, sebuah sistem-kalibrator Bruel & Kjaer Type 4345 digunakan. Gambar 18 menunjukkan tegangan keluaran sensor sebagai fungsi percepatan pada frekuensi yang berbedabeda. Dari Gambar 18 terlihat adanya hubungan linier antara percepatan dan tegangan keluaran sensor. Melalui pendekatan garis lurus dapat ditentukan model matematis sistem sensor getaran dengan tegangan keluaran sensor sebagai fungsi dari frekuensi dan amplitudo getaran dalam bentuk: Gambar 18: Tegangan keluaran sensor sebagai fungsi percepatan pada frekuensi yang berbeda-beda. V0 (mv) Model untuk f= 50 Hz Model untuk f= 63 Hz Model untuk f= 80 Hz Model untuk f= 100 Hz Model untuk f= 125 Hz Pengukuran untuk f= 50 Hz Pengukuran untuk f= 63 Hz Pengukuran untuk f= 80 Hz Pengukuran untuk f= 100 Hz Pengukuran untuk f= 125 Hz percepatan (g) Gambar 19: Model matematika dari sistem sensor getaran yang dikembangkan

16 Dengan memasukkan persamaan (4) ke persamaan (3) diperoleh tegangan keluaran sebagai fungsi dari frekuensi dan amplitudo getaran: V f o a, f f Kesalahan Relatif (%) nilai m a pendekatan 60 Data Frekuensi (Hz) Gambar 20: Parameter kemiringan m sebagai fungsi frekuensi Percepatan (g) f= 50 Hz f= 63 Hz f= 80 Hz f= 100 Hz f= 125 Hz f ( Hz) f= 50 Hz f= 63 Hz f= 80 Hz f= 100 Hz f= 125 Hz Gambar 21: Kesalahan relatif dari sensor getaran yang dikembangkan. (5) Berdasarkan model matematis sensor pada persamaan (5) dapat ditentukan kesalahan relatif sensor yang dikembangkan (Gambar 21). Dari Gambar 21 diketahui bahwa kesalahan relatif sensor yang dikembangkan lebih kecil dari 3%. Pada frekuensi 50 Hz terdapat kesalahan yang cukup besar. Kesalahan ini berasal dari jaringan listrik Transformasi Fourier Sensor posisi mengukur massa seismik sebagai fungsi dari waktu. Untuk getaran, dua informasi yang diperlukan, yaitu amplitudo dan frekuensi. Kedua informasi dapat diperoleh secara langsung dengan menggunakan transformasi Fourier. Dengan menggunakan transformasi Fourier data posisi diubah menjadi frekuensi. Puncak spektrum transformasi Fourier menunjukkan komponen frekuensi dan amplitudo menunjukkan kuat getaran. Misalnya fungsi posisi massa seismik adalah x(t) dan transformasi Fourier X( ) dalam bentuk : x t X ( ) e X x( t ) e j t d j t dt Menurut hubungan Parseval, dapat dilihat bahwa ada korelasi linear [18] antara amplitudo posisi dan amplitudo transformasi Fourier. Oleh karena data posisi dari massa seismik dan waktu diambil secara diskrit, maka dibutuhkan transformasi Fourier waktu diskrit atau Discrete-time Fourier Transform (DFT). (6) (7) 20 21

17 x n 1 X ) 2 2 X x[ n] e n j n ( e d j n d Sering kali, sinyal-sinyal ini memilki durasi yang cukup panjang. Dalam kasus seperti ini sangat penting menggunakan prosedur komputasi yang efisien. Salah satu teknik yang sangat efisien untuk perhitungan DFT dengan durasi yang terbatas adalah algoritma Fast Fourier Transform (FFT). Algoritma ini digunakan untuk menghitung hasil pengukuran sensor yang dikembangkan. Gambar 22 menunjukkan data tegangan keluaran sensor sebagai fungsi dari waktu dengan sumber frekuensi 130 Hz dan sampling frekuensi 28 khz. (8) (9) Transformasi Fourier (FFT) dari data pada Gambar 22 ditunjukkan pada Gambar 23. Amplitudo FFT f p=130 Hz Gambar 23: Spektrum Transformasi Fourier dari data Gambar 22. Gambar 23 menunjukkan korelasi yang baik antara frekuensi puncak spektrum FFT dengan frekuensi sumber (130Hz). f (Hz) Tegangan Keluaran (V) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5 7,7 15,4 23,07 30,7 38,5 Waktu (ms) Gambar 24 menunjukkan spektrum FFT, dengan amplitudo FFT sebagai fungsi dari frekuensi dan percepatan pada frekuensi sumber 62 Hz. Amplitudo FFT f (Hz) percepatan (g) = 0,1 percepatan (g) = 0,2 percepatan (g) = 0,3 percepatan (g) = 0,4 percepatan (g) = 0,5 percepatan (g) = 0,7 percepatan (g) = 0,6 percepatan (g) = 0,4 percepatan (g) = 0,7 percepatan (g) = 0,1 percepatan (g) = 0,8 percepatan (g) = 0,9 Gambar 22: Data tegangan keluaran sensor yang dikembangkan sebagai fungsi dari waktu dengan frekuensi sumber 130Hz dan frekuensi sampling 28kHz Gambar 24: Spektrum FFT, dengan amplitudo FFT sebagai fungsi dari frekuensi dan percepatan pada frekuensi sumber 62Hz

18 Dari Gambar 24 terlihat bahwa puncak amplitudo FFT terletak di frekuensi getaran sistem (62Hz) dan amplitudo FFT adalah linear terhadap percepatan yang diberikan (Gambar 25). Amplitudo 5000 Data f = 39,5 Hz 4500 Model Percepatan (g) Gambar 25: Hubungan antara amplitudo dan percepatan FFT. Selanjutnya akan ditentukan model sensor dari spektrum FFT. Gambar 26 menunjukkan amplitudo spektrum FFT sebagai fungsi percepatan dan frekuensi. Gambar 27 menunjukkan amplitudo FFT sebagai fungsi dari frekuensi pada percepatan yang berbeda-beda Amplitudo FFT a = 0.5g a = 0.4g a = 0.3g a = 0.2g a = 0.1g Frekuensi (Hz) Gambar 27: Amplitudo spektrum FFT sebagai fungsi frekuensi pada percepatan yang berbeda-beda. Gambar 27 memperlihatkan bahwa peningkatan percepatan menyebabkan peningkatan intensitas FFT dengan amplifikasi yang berbeda dengan frekuensi yang berbeda, tetapi dengan kecenderungan yang sama. Intensitas FFT minimum dihasilkan pada daerah sekitar frekuensi 40 Hz. Frekuensi ini sesuai dengan frekuensi sumber penggetar Amplitudo FFT yang diberikan. Menurut [6] karakteristik sensor ini dapat didekati dengan polinom berdasarkan metode fungsi dasar. Dengan metode ini Percepatan (g) Gambar 26: Amplitudo spektrum FFT amplitudo FFT A sebagai fungsi dari frekuensi f dan percepatan a dapat ditulis dalam bentuk: Frekuensi (Hz) sebagai fungsi dari frekuensi dan percepatan. A a, f u a v a f w a f (10) 24 25

19 dengan u(a), v(a) dan w(a) adalah parameter yang merupakan fungsi dari percepatan a. Menggunakan data dalam Gambar 27, parameter dari u(a), v(a) dan w(a) dapat ditentukan : 0 u(a) = *a *a*a a u a a a 2 (11) v a a (12) u(a) w a a a 2 (13) seperti dapat dilihat pada Gambar 28 (a), (b) dan (c). V(a) = *a 100 V(a) (c) Gambar 28: Parameter u, v, dan w sebagai fungsi dari percepatan a. Dengan menggunakan model sensor yang ditunjukkan pada a (a) persamaan (10) diperoleh kesalahan relatif sensor kurang dari 6% (Gambar 32). w(a) w(a) = *a *a*a (b) a 0.6 Kesalahan Relatif (%) Frekuensi (Hz) Percepatan (g) Gambar 29: Kesalahan relatif model sensor menggunakan spektrum FFT

20 3.2. Sensor berbasis fluxgate Pada metoda fluxgate, pengukuran kuat medan magnet didasarkan Prinsip Sensor Fluxgate Sensor fluxgate adalah sensor magnetik yang bekerja berdasar perubahan flux magnetik disekitar elemen sensor. Elemen sensor fluxgate terdiri dari kumparan primer (excitation coil), kumparan sekunder (pick-up coil) dan inti ferromagnetik (core), seperti ditunjukkan gambar (30a). Berdasarkan arah medan eskitasi yang dihasilkan oleh kumparan eksitasi, maka elemen sensor fluxgate terdiri dari dua, yaitu: sensor fluxgate orthogonal: arah medan eksitasi tegak lurus arah medan [19] pada hubungan antara kuat medan magnet H yang diberikan dengan fluks medan magnet induksi B. Jika B yang dihasilkan berasal dari masukan H berupa gelombang pulsa bolak-balik, maka dalam keadaan saturasi pada keluaran B akan timbul gelombang harmonik genap, gelombang harmonik ke dua, yang besarnya sebanding dengan medan magnet luar yang mempengaruhi inti dan arahnya sebanding dengan arah medan magnet luar. Prinsip pengukuran ini dapat ditunjukkan gambar 31. eksternal yang di ukur, sedangkan parallel sensor fluxgate : arah medan H exc H exc medan eksitasi sejajar dengan medan eksternal yang diukur, seperti ditunjukkan Gambar (30b) dan (30c). (a) t (b) t H ext (a) Kumparan pick-up Inti ferromagnetik Kumparan eksitasi (b) (c) H ext H ext (a). Konfigurasi dasar elemen sensor fluxgate (b). Konfigurasi paralel elemen sensor fluxgate (c). Konfigurasi ortogonal elemen sensor fluxgate Kumparan pick-up Kumparan eksitasi Arus eksitasi Kumparan eksitasi Arus eksitasi Kumparan pick-up Inti ferromagnetik Inti ferromagnetik Gambar 30: Konfigurasi dasar kumparan elemen sensor fluxgate. [20] H exc H exc V out + + V - out - d dt V out (c) (e) Prinsip kerja sensor t t Gambar 31: Prinsip kerja sensor fluxgate. [21] fluxgate d dt V out ketika mengukur perubahan medan magnet luar ditunjukkan pada Gambar 31. Prinsip kerja sensor magnetik (d) (f) (g) t (h) B ext =0 B ext 0 t t t 28 29

21 fluxgate. (a) Medan eksitasi tanpa medan magnet luar B =0; (b) Medan ext [23] penting karena menentukan sensitivitas dan akurasi dari sensor. eksitasi dengan medan magnet luar B 0; ext (c) kurva magnetisasi dalam Disamping itu inti harus bersifat robus terhadap pengaruh luar seperti keadaan saturasi pada B =0; saturasi pada B 0; (e) perubahan fluks terhadap waktu pada B =0; (f) perubahan fluks terhadap waktu pada B 0; g) tegangan keluaran sensor pada B =0; (h) tegangan keluaran sensor pada B 0. ext ext Tegangan keluaran V ext out (d) kurva magnetisasi dalam keadaan dari elemen sensor diolah dengan menggunakan rangkaian pengolah sinyal. Pengolah sinyal sensor terdiri dari beberapa bagian, yaitu diffrensiator, detektor, sinkronisasi fasa, integtrator, dan penguat akhir. Secara skematik terlihat pada Gambar 32: osilator Buffer Generator Sensor Pengolah sinyal Penyearah Displai ext ext ext vibrasi akustik dan deformasi mekanik. Bahan yang memenuhi persyaratan tersebut Vitrovac dan METGLASS. Vitrovac atau kaca logam Co Fe Si B 6025 mempunyai permeabilitas relatif yang tinggi, yaitu sekitar Penggunaan pita Vitrovac memungkinkan desain sensor dengan ukuran yang cukup kecil dan robus. Untuk mengevaluasi tegangan keluaran sensor fluxgate digunakan fungsi transfer. Fungsi transfer suatu sensor magnetik fluxgate menggambarkan hubungan antara tegangan keluaran Vo dengan medan magnet yang diukur. Fungsi transfer dapat dihitung menggunakan pendekatan polinomial kemudian mencari komponen frekuensi yang ada di dalam kerapatan fluks magnetik inti sensor. Penggunaan pendekatan polinomial teknik harmonisa kedua akan memudahkan untuk menyederhanakan fungsi transfer ke dalam komponen frekuensi [24]. Perubahan flux magnetik yang berasal dari kumparan eksitasi ditangkap oleh kumparan Dua kali frekuensi (2fo) pick-up dalam bentuk tegangan listrik. Komponen tegangan keluaran Gambar 32: Skema Diagram Pengolahan Sinyal Sensor. harmonisa kedua V V out 2 h 3B 0 out2h dari kumparan pick-up adalah: 2 NA a h h sin 2 t 3 ext ref max (14) Karakteristik tegangan keluaran sensor fluxgate dipengaruhi oleh Dengan B adalah amplitude medan exksitasi, N jumlah lilitan pick- o banyak faktor antara lain: jumlah lilitan eksitasi dan pick-up, dimensi up, A luas penampang inti, kecepatan sudut, h medan eksternal dan ext geometri elemen sensor, sifat dan jenis material inti ferromagnetik, jumlah h refmax adalah medan referensi dari eksitasi, Dari persamaan (14) terlihat lapisan inti frekuensi dan arus eksitasi [20,21,22]. Pemilihan bahan inti sangat bahwa tegangan keluaran harmonisa ke dua adalah berbanding lurus 30 31

22 dengan kuat medan yang diukur. [25,26] up ganda dengan bentuk inti oval (race-track). Kedua geometri elemen Desain dan Pengembangan Sensor Fluxgate Untuk meningkatkan efektifitas dan efisiensi sensor fluxgate dilakukan berbagai upaya oleh para peneliti seperti perbaikan pada desain struktur sensor, rangkaian pengolah sinyal dan meminiatur ukuran sensor dalam orde yang lebih kecil [27,22,28,29]. Selain itu teknik pembuatan sensor juga makin berkembang mulai dari metode konvensional sampai metode dalam bentuk printed circiut board (PCB) sensor tersebut ditunjukkan Gambar 33. Kumparan eksitasi H ext I ref Vitrovac 6025 plastik Kumparan pick-up H exc H exc Inti ferromagnetik H ext Vout Arus eksitasi L exc Kumparan eksitasi H exc Kumparan pick-up atau integrated circuit (IC) seperti: electroplated/electroplating, chemical [20,25,26,30,31] etching, flex-foil, photolithograpy, evaporasi dan sputtering, kombinasi dari beberapa metode tersebut disebut hybrid technology. Metode pembuatan elemen sensor fluxgate di atas mempunyai proses yang sangat komplek sehingga mengakibatkan harga proses pembuatan mahal, sensitivitasnya yang dihasilkan rendah karena luas penampang (cross-sectional) menjadi kecil, dan keterbatan dalam jumlah lilitan dalam [34] solenoide. Beberapa nilai sensitivitas sensor fluxgate yang telah berhasil [31] [35] [32] diperoleh penelti sebelumnya antara lain : 60V/T, 3760 V/T, 28 V/T, [36] [16] [29] [20] 13100T/V, V/T, 241 V/T, 0,510 V/T. Selain itu sensor dengan [32,33] Vout (a) Gambar 33: Geometri elemen sensor fluxgate: (a) pick-up tunggal dan [22,23] (b) pick-up ganda. Geometri elemen sensor bagian (b) memiliki kelebihan antara lain [29] medan eksitasi kedua sisi sama besar sehingga dapat mengurangi noise. Berdasarkan hasil desain elemen sensor di atas dan untuk keperluan tulisan ini kami memilih salah satu hasil desain elemen sensor yang telah kami buat, seperti ditunjukkan Gambar 34. (b) resolusi tinggi yang beredar dipasaran sangat mahal harganya. Berdasarkan perkembangan sensor magnetik fluxgate, maka kami mencoba mengembangkan model geometri elemen sensor dengan konfigurasi pick-up tunggal dengan inti ferromagnetik dual-probe dan pick- Gambar 34: Foto hasil desain elemen sensor fluxgate

23 Elemen sensor di atas memiliki konfigurasi 2x40 untuk lilitan eksitasi, 2x70 untuk pick-up dan inti Ferromagnetik 10 lapis yang terbuat dari Metglas 2705M (2x0.02 mm). Hasil desain elemen sensor ini mempunyai dimensi yang kecil, yaitu 1.5 x 0.5 cm. (a) Sensor F8 (a) Sensor F9 (a) Sensor F Pengembangan Sensor Fluxgate Dengan Teknologi PCB Dalam pembuatan elemen sensor dengan teknik PCBs memiliki tiga tahapan proses, yaitu (1). Desain teknik, (2). Desain fisik PCBs, (3), Pencetakan ke PCBs. Setiap tahap memerlukan perangkat lunak tertentu. Ketiga perangkat lunak tersebut adalah Computer Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided Manufacturing (CAM) [37]. Untuk mendapatkan hasil yang diharapkan semua proses mempunyai keterkaitan yang sangat erat dan tidak dapat Gambar 35: Foto sensor dengan teknologi PCB: (a) pick-up ganda dua lapis, (b) pick-up tunggal dua lapis, (c) pick-up tunggal 4 lapis. Tabel 1. Hasil karakterisasi sensor dengan teknologi PCBs No Sensor Daerah Linier/ Sensitivitas Kesalahan absolut Kesalahan relatif Sensor F8 ± 2 ut/ 14.1 mv/µt µt 2.76 % Sensor F9 Respon keluaran diperoleh tetapi keluaran tidak linier Sensor F10 ± 6 ut/ 25.6 mv/µt dipisahkan. Untuk pembuatan elemen sensor fluxgate dengan teknik PCBs yang sangat menentukan adalah: footprint dan track (jalur) yang mengantikan sistim gulungan kawat yang dilakukan selama ini. Hasil desain dengan teknologi PCBs ditunjukkan Gambar 35. Hasil karakterisasi masing-masing sensor dirangkum dalam Tabel 1. Terlihat daerah linier sangat kecil tetapi sensitivitasnya tinggi, kesalahan absolut dan relatif masih besar. Selain itu ukuran sensor yang diperoleh masih sangat besar. Sensor dengan pick-up tunggal dan PCB 4 lapis memberikan [38] hasil lebih baik dari yang lainnya Aplikasi Sensor Fluxgate Sensor magnetik dengan prinsip fluxgate dapat dipergunakan untuk mengukur medan maganetik DC, AC (khusus frekuensi rendah) dan [34] mempunyai sensitivitas yang sangat tinggi. Kawahito, et al, 1998 menemukan sensitivitas sensor fluxgate adalah 2.7 mv/µt, sedangkan pada efek Hall sekitar 0,0005 mv/µt untuk bahan Si, dan pada magnetoresistif sekitar 0.1 mv/µt. Kelebihan lain sensor fluxgate adalah ukurannya kecil, kebutuhan daya rendah, dan mempunyai kestabilan yang tinggi terhadap temperatur dengan koefisien sensitivitas temperatur 34 35

24 30 ppm/ C dan koefisien offset 0.1 nt. Untuk menguji kehandalan sensor fluxgate yang dikembangkan kami mencoba mengaplikasikan untuk berbagai pengukuran. Aplikasi yang kami jelaskan dalam tulisan ini antara lain: (1) aplikasi untuk pengukuran medan magnetik lemah dan bahan ferromagnetik, (2) aplikasi untuk pengukuran kuat arus listrik, (3) aplikasi untuk sensor jarak, dan (4) aplikasi untuk getaran Sebagai Sensor Medan Magnet Lemah DC. Aplikasi terhadap pengukuran mineral magnetik didasarkan pada sifat sensor yang dapat mengukur medan magnet lemah (± 20 µt). Untuk aplikasi sensor fluxgate terhadap pengukuran medan manet dapat terlihat pada Gambar 36. Tegangan Keluaran (mv) Medan Magnetik ( T) Dari Gambar 36 tampak bahwa daerah linier terdapat pada daerah medan magnet antara -40 T hingga 40 T. Pada daerah ini terdapat hubungan linier antara tegangan keluaran sensor dengan kuat medan magnet yang diukur. Daerah kerja sensor magnetik ini dapat dilihat pada Gambar 37. Tampak dari gambar bahwa kurva linierisasi sensor masih kurang linier, hal ini dapat disebabkan oleh lilitan pada kumparan primer yang kurang simetris. Karena ukuran inti yang cukup kecil, yaitu panjang 30mm, lebar 1mm dan ketebalan 0,1 mm, sangat sulit untuk melilitkan kawat dengan diameter 0.1mm pada inti tersebut secara manual. Sampai saat ini belum dikatahui cara lain yang lebih mudah dan presisi dalam membuat sensor tersebut selain cara manual. Tegangan Keluaran (mv) 2 R = Gambar 37: Keluaran medan magnet pada daerah kerja ±40 T Medan Magnetik ( T) y = x Gambar 36: Karakteristik keluaran sensor magnetik fluxgate yang dibuat. Untuk mengetahui kesalahan sensor, keluaran daerah kerja sensor didekati dengan persamaan linier. Dari Gambar 37 terlihat bahwa 36 37

25 keluaran sensor dapat didekati dengan persamaan linier (15): V = x , (15) out Dari persamaan (15) dapat diketahui sensitivitas sensor 301,46 mv/ T, [39] dengan kesalahan absolut T dan kesalahan relatif 0.017%. Prototip sensor terhadap pengukuran mineral magnetik ditunjukkan Gambar 38a dan 38b. Pengukuran respon bahan magnetik dilakukan B( T) Y(cm) X(cm) -5 dengan cara menggerakkan sensor pada permukaan yang sudah diberi koordinat x dan y (a), sedangkan bahan magnetik yang diukur berupa potongan besi dengan panjang dan diameter 1 cm diletakkan dibawah permukaan tersebut pada jarak 1.5 cm. Sistem dan hasil pengukuran ditunjukkan Gambar 38. Berdasarkan Gambar 38c dapat diketahui bahwa sensor fluxgate dapat mendeteksi keberadaan bahan magnetik yang disembunyikan di bawah permukaan. Hasil akan dikembangkan lebih jauh untuk mendeteksi bahan-bahan mineral magnetik yang berada di bawah permukaan bumi. (c) Gambar 38: Set-up pengukuran bahan magnet: (a) posisi sensor, (b) posisi bahan magnet, (c) hasil pengukuran Sebagai Sensor Kuat arus Untuk uji coba dilakukan dengan menghitung arus yang mengalir pada kawat lurus dengan mendeteksi medan magnet yang dipancarkan. Sebagai kawat digunakan jalur pada PCB yang panjangnya 20 cm. Sensor medan magnet diletakkan saling memotong tegak lurus di atas jalur tersebut. Pada jalur PCB dilewatkan arus mulai dari 0,1 ma, sampai 1900 ma dengan interval tertentu. Pengukuran dilakukan dengan jarak sensor yang berbeda-beda. Sistem pengukuran arus ditunjukkan Gambar 39. (a) (b) Gambar 39: Pengukuran arus pada kawat [40] 38 39

26 Pada percobaan ini dilakukan pengukuran pada tiga jarak yang berbeda yaitu 4 mm, 8 mm, dan 18 mm. Aplikasi terhadap pengukuran arus, terlihat bahwa keluaran sensor bersifat linier dan kuadratis. Pendekatan kuadratis diaplikasikan untuk daerah pengukuran arus mA, dan pendekatan linier dilakukan untuk daerah pengukuran arus 0-100mA. Dari kedua cara pendekatan tersebut diperoleh kesalahan maksimum yang relatif kecil, untuk daerah mA kesalahan maksimumnya adalah 4.6 % untuk jarak pengukuran 4 mm, 2.3 % untuk jarak pengukuran 8 mm, dan 1.4 % untuk jarak pengukuran 18 mm. Untuk Gambar 40: Pengukuran muai panjang Sebagai sensor jarak (proximity sensor) Pengukuran jarak dengan mikrometer digital ditunjukkan gambar 41. daerah pengukuran arus yang kecil kesalahan dapat lebih dihindari, hal ini terbukti ketika dilakukan pengukuran pada daerah arus 0-100mA, kesalahan maksimum pengukuran pada daerah ini adalah 1.64% (18mm), [37] 0.62 % (8mm) dan 0.9 % (4mm) Sebagai Sensor Muai Panjang Aplikasi sensor fluxgate sebagai alat ukur muai menggunakan desain kumparan pick-up tunggal [41]. Berdasarkan hasil analisis diperoleh bahwa sensor muai yang dibuat dapat mengukur panjang pemuaian dalam rentang pengukuran maksimum sampai 3.68 mm, dengan sensitivitas 250 mv/mm. Kesalahan absolut dari pengukuran dengan sensor muai ini sebesar mm, sedangkan kesalahan relatifnya sebesar 0.68%. Set-up saat pengukuran ditunjukkan Gambar 40. Gambar 41: Sistem pengukuran jarak menggunakan sensor fluxgate. Karakteristik pengukuran jarak di tunjukkan gambar 42. Berdasarkan gambar 42 didapatkan hubungan antara jarak dengan tegangan keluaran sensor secara matematis dapat dedekati dengan persamaan: V= - 0,1045X + 2,8162 (16) x dalam mm dan y dalam volt. Hal ini berarti bahwa perubahan jarak yang terjadi antara target dengan sensor berbanding terbalik dengan karakteritik keluaran sensor, semakin jauh dari target karakteristik tegangan keluaran makin kecil dan sebaliknya. Berdasarkan sensor 40 41

27 mampu mendeteksi perubahan jarak dengan resolusi 10 µm, kesalahan absolut 0.12 µm dan kesalahan relatif 2.5%. Kemampuan mendeteksi perubahan jarak dalam orde yang sangat kecil membuka peluang untuk mengaplikasikan menjadi sensor tekanan, aliran, proximity, dan getaran. Tegangan (volt) Gambar 42: Respon tegangan keluaran terhadap jarak target Sebagai Sensor Getaran. [42] y = x R = Jarak (mm) Aplikasi sensor fluxgate terhadap getaran dilakukan dengan cara menempatkan sensor fluxgate dekat objek yang bergetar. Posisi sensor ini Karakteristik statik sensor diukur pada jarak 15 sampai 50 mm, parameter amplitudo dan frekuensi diukur dengan multimeter digital HP34401A dan display frekuensi yang terukur diamati dengan labview 8. Sensor Fluxgate yang dikembangkan dapat mendeteksi getaran objek pada rentangan 55 sampai 360 Hz, rentangan frekuensi ini diperoleh pada jarak statik 30 mm. Kesalahan absolut dan relatif geratan masing-masing adalah 2 Hz dan 0.75% [39] Untuk aplikasi sensor pada frekeunsi rendah juga telah dilakukan. Optimasi statik terhadap jarak maksimum (amplitudo maksimum) antara probe sensor dengan objek bergetar diperoleh ketika jarak 2 cm. Gambar [44] 44 menunjukkan pegukuran getaran pada frekuensi rendah. Fluxgate sebagai sensor getaran frekuensi rendah mampu mendeteksi frekuensi sumber 0.14 sampai 1.15 Hz dengan kesalahan absolut Hz dan kesalahan relatif 1.3%. Kemampuan sensor fluxgate dalam mengukur gataran dalam frekuensi rendah dapat di kembangkan sebagai alat ukur getaran gempa. tidak bersentuhan dengan objek yang bergetar. Set-up pengukuran ditunjukkan gambar 43. Gambar 43: Aplikasi fluxgate untuk mengukur getaran. [43] Gambar 44: Skema dan photo pengukuran frekuensi rendah [40] 42 43

28 3.3. Sensor Berbasis GMR Pendahuluan Magnetoresistance adalah perubahan resistansi logam bila berada dalam medan magnet luar. Efek magnetoresistance yang sangat besar dinamakan dengan giant magnetoresistance (GMR). Efek GMR merupakan topik penelitian dasar selama akhir tahun 1980-an. Fenomena GMR ini menyedot banyak perhatian peneliti dan menjadi sebuah area penelitian terapan yang luas. Dalam waktu yang relatif singkat, penerapannya mulai terlihat dalam bentuk perbaikan divais memori dan sensor. Area penelitian yang menarik ini, dinamakan dengan spintronics, dimana transport elektron bergantung spin dalam multilayer logam memainkan peranan yang sangat penting. Penemuan GMR ini berdampak besar pada teknologi sensor dan penyimpanan data magnetik. Efek GMR merupakan efek mekanika kuantum yang diamati dalam struktur lapisan tipis yang terdiri lapisan feromagnetik yang dipisahkan oleh lapisan nonmagnetik. Basis fisika dari efek GMR ini berhubungan dengan kenyataan bahwa spin elektron memiliki dua nilai yang berbeda (yang dinamakan dengan spin up dan spin down). Ketika spin-spin ini melintasi material yang telah dimagnetisasi, salah satu jenis spin mungkin mengalami hambatan (resistance) yang berbeda daripada yang dialami oleh jenis spin lainnya. Sifat ini menunjukkan adanya hamburan bergantung spin (spin-dependent scattering). Kajian fisika dari GMR berdasarkan pada pengaruh spin terhadap sifat konduksi dan sifat penerobosan (tunneling) elektron-elektron dalam logam feromagnetik. Perbedaan sifat konduksi mayoritas dan minoritas dari spin elektron dalam logam feromagnetik pertama kali diamati oleh Mott. Secara kualitatif, GMR dapat dijelaskan dengan menggunakan model Mott ini. Ada dua hal yang diusulkan oleh Mott: pertama konduktivitas listrik dalam logam dapat diuraikan dalam hubungannya dengan dua saluran konduksi bebas; yang pertama berhubungan dengan elektron dengan spin up dan yang lain berhubungan dengan elektron dengan spin down. Kedua, di dalam logam feromagnetik laju hamburan dari spin up dan spin down elektron-elektron sangat berbeda. Menurut Mott arus listrik semata-mata dibawa oleh elektron-elektron dari pita valensi sp dengan massa efektif rendah dan mobilitas tinggi. Pita valensi d memainkan peran penting dalam menyediakan keadaan akhir untuk hamburan elektron-elektron dalam pita sp. Dalam feromagnetik pita d adalah bertukar-pisah ( exchange-split ), sehingga rapat keadaan elektronelektron pada tingkat energi Fermi tidak sama untuk spin up dan spin down. Peluang hamburan dalam keadaan ini sebanding dengan kerapatannya, sehingga laju hamburan bergantung spin, atau dengan kata lain hamburan berbeda untuk kedua saluran konduksi di atas. Penemuan GMR telah membuka peluang untuk penerapannya dalam banyak bidang aplikasi. Beberapa divais yang bekerja berdasarkan fenomena GMR ini telah dikembangkan. Diantara divais tersebut misalnya: perekaman magnetik pada hard disk drive, sensor medan magnet dan memori non-volatile

29 Prinsip GMR Lapisan tipis GMR mempunyai struktur yang berbeda-beda dan masing-masing struktur memiliki efek magnetoresistance ( MR ) yang FM NM Lapisan pengunci FM NM berbeda pula. Struktur GMR terdiri dari struktur sandwich, spin valve (sandwich pinned) dan multilayer. Struktur sandwich merupakan stuktur (a) FM FM (b) FM dasar GMR yang terdiri dari tiga lapisan dengan susunan bahan feromagnetik/nonmagnetik/feromagnetik (FM-NM-FM). Struktur spin valve merupakan struktur sandwich yang diberi lapisan pengunci (pinning layer), sedangkan struktur multilayer, adalah struktur dengan (c) FM NM FM pengulangan lapisan feromagnetik/non magnetik (FM/NM) n dengan Gambar 45: Struktur lapisan tipis GMR: (a) sandwich, (b) spin valve, dan (c) multilayer. indeks n adalah jumlah pengulangan. Ketiga struktur tersebut dapat terlihat pada gambar 45. Fenomena GMR dalam multilayer feromagnetik dapat dijelaskan dengan argumentasi Mott, yakni: (1) konduktivitas listrik dalam logam dapat diuraikan dalam hubungannya dengan dua saluran konduksi bebas; yang pertama berhubungan dengan elektron dengan spin up dan yang lain berhubungan dengan elektron dengan spin down, (2) di dalam logam feromagnetik laju hamburan dari spin up dan spin down elektronelektron sangat berbeda. Tinjau konfigurasi multilayer feromagnetik seperti Gambar 45, dan diasumsikan bahwa hamburan kuat terjadi untuk elektron dengan spin antiparalel terhadap arah magnetisasi, sedangkan hamburan lemah terjadi untuk elektron dengan spin paralel terhadap arah magnetisasi. Anggapan ini menggambarkan asimetri dalam rapat keadaan pada tingkat Fermi yang bersesuaian dengan argumentasi Mott yang kedua. Dalam Gambar 46, diperlihatkan lintasan elektron dalam dua saluran spin (spin channels). Diasumsikan lintasan bebas rata-rata elektron lebih besar dari ketebalan lapisan dan arus mengalir dalam bidang lapisan. Untuk magnetisasi paralel pada (c) elektron spin up melewati lapisan tanpa dihamburkan sedangkan elektron dengan spin down mengalami hamburan kuat dalam kedua lapisan feromagnetik, menghasilkan 46 47

30 resistivitas total kecil. Untuk magnetisasi antiparalel pada (d), keduanya spin up dan spin down mengalami hamburan kuat dalam satu lapisan feromagnetik, sehingga resistivitas total dalam multilayer menjadi tinggi. Model ini dinamakan dengan model konduksi dua arus, seperti diperlihatkan dalam Gambar 46. lapisan ferromagnetik dan lapisan non-magnetik ketika melewati dan masuk ke dalam lapisan feromagnetik, bergantung pada arah spin dan arah momen magnet lapisan. Hamburan yang bergantung spin merupakan fenomena mekanika kuantum dimana lintasan bebas rata-rata elektron dalam logam magnetik, dan perubahan resistivitasnya dipengaruhi oleh orientasi relatif dari spin elektron konduksi dan momen magnet material magnetik. Penerapan material GMR sebagai sensor medan magnet, memiliki kelebihan dibandingkan sensor lainnya yakni: sensitivitas yang tinggi, harga murah, konsumsi daya rendah dan ukuran kecil. Selain itu, spin up spin down spin up spin down (a) (b) R R R R pemasangan sensor GMR tidak bersentuhan dengan rangkaian yang diukur, sehingga mengurangi kesalahan pengukuran. Dengan adanya kelebihan dari sensor GMR ini, banyak penelitian telah kami dilakukan di bidang ini, dan beberapa paper telah pula dipublikasikan dalam beberapa R R R R [47,48,49,50,51,52,53,54,55] jurnal dan prosiding. (c) (d) Gambar 46:Ilustrasi tranport elektron dalam multilayer feromagnetik untuk (a) magnetisasi paralel, dan (b) magnetisasi antiparalel. (c) dan [45] (d) Model rangkaian resistor untuk magnetisasi paralel dan antiparalel. arus spin up konfigurasi parallel arus spin down konfigurasi anti-parallel arus spin up arus spin down Hamburan bergantung spin diusulkan oleh Baibich, dkk, yang didasarkan pada argumen Mott. Baibich menyimpulkan bahwa probabilitas sebuah elektron dihamburkan pada antarmuka antara [46] (a) (b) Gambar 47: Model konduksi bebas dua arus. A. kondisi resistansi rendah dan B. kondisi saat resistansi tinggi

31 Aplikasi Sensor GMR Pengukuran Medan Magnetik Dalam aplikasi sensor medan magnetik, sensor yang sudah Pengukuran Arus Dalam aplikasi sensor arus, film tipis sandwich GMR diletakkan diatas saluran yang dialiri arus, seperti gambar 50: terintegrasi dalam jembatan Wheatstone dimasukkan kedalam kumparan solenoida. Perubahan medan magnet solenoida akan menyebabkan peru- substrat film Arus bahan keluaran tegangan jembatan Wheatstone. Kumparan solenoida dililitkan pada sebuah tabung silinder yang terbuat dari tembaga. Panjang selenoida 240 mm, diameter sekitar 41.6 mm. Jumlah lilitan kawat sekitar 200 buah, dengan diameter kawat sekitar 0.4mm. Dari hasil kalibrasi berikut. Gambar 50: Posisi film tipis sandwich GMR sebagai sensor arus. Setting peralatan pengukuran arus ditunjukkan seperti gambar 51 diperoleh hubungan medan magnet aplikasi yang dialami sample terhadap arus induksi I sebagai fungsi linier berikut: H(I) = I , dimana induksi magnetik H dalam µt dan arus induksi I dalam ma. Konfigurasi Jembatan Wheatstone ditunjukkan gambar 48. Hasil pengukuran karakteristik sensor dengan ketebalan lapisan magnetik 10 nm dengan ketebalan lapisan non magnetik 2 nm dan 6 nm ditunjukkan pada gambar 49. Gambar 51: Foto set up peralatan pengukuran arus. Hasil pengukuran arus ditunjukkan pada Gambar 52. Gambar 52: Hasil keluaran sensor terhadap pengukuran arus. Gambar 48. Konfigurasi Jembatan Wheatstone Gambar. 49. Hasil pengukuran dalam konfigurasi jembatan Wheatstone 50 51

32 Dari gambar 52 dapat dilihat bahwa medan yang dapat dideteksi oleh sandwich GMR pada arus dibawah 200 ma cukup kecil (akibat adanya perbedaan jarak antara arus dan permukaan sandwich). Oleh karena itu rentang kerja sensor diambil di atas 200 ma. Grafik keluaran sensor terhadap arus yang dilewatkan pada kawat untuk daerah kerja di atas 200 maditunjukkan seperti gambar 53. Sensor magnet akan mendeteksi putaran ketika magnet tetap menjauh dan mendekat ketika melekat pada piringan roda, akibatnya akan timbul pulsa-pulsa dari rangkaian sensor. Kemudian pulsa-pulsa ini dihitung dengan menggunakan pencacah mikrokontroller, lalu langsung ditampilkan pada displai. Gambar 55 menunjukkan sistem roda yang dipasang magnet tetap. Setting peralatannya ditunjukkan dalam gambar 56. Gambar 55. Set up sensor GMR untuk sensor putaran Gambar 56. Setting peralatan sensor putaran Gambar 53. Keluaran sensor terhadap arus yang dilewatkan pada kawat Gambar 54. Kesalahan absolut dan kesalahan relatif pengukuran arus Hasil pengukuran sensor putaran ini diperlihatkan dalam Gambar 57. Kesalahan absolut maksimum dan kesalahan relatif maksimum pengujian adalah masing-masing 1.65 mv dan 5.77% pada arus 300 ma. Kesalahan relatif pengukuran putaran di atas ditunjukkan pada masingmasing Gambar 58. Kesalahan absolut dari keluaran sensor di atas ditunjukkan dalam Gambar Pengukuran Putaran Sensor GMR yang peka terhadap medan magnet dapat digunakan untuk menghitung pulsa yang ditimbulkan oleh magnet tetap yang ditempelkan pada roda atau motor yang akan dihitung putarannya. Gambar 57. Tegangan keluaran motor terhadap putaran/detik. Gambar 58. Kesalahan relatif sensor putaran 52 53

33 Aplikasi GMR untuk Biosensor Dalam beberapa tahun terakhir ini, divais sensor giant magnetoresistive (GMR) telah menunjukkan potensi yang besar sebagai elemen untuk [56,57,58,59] mendeteksi biomolekul. Hambatan sensor GMR berubah bila medan magnet dikenakan pada sensor, sehingga biomolekul yang dilabeli secara magnetis dapat menimbulkan sinyal. Dibandingkan dengan pendeteksi optik tradisional yang sekarang banyak digunakan dalam biomedis, sensor GMR, lebih [49] sensitif, portabel dan memberikan pembacaan elektronik sepenuhnya. Selain itu, sensor GMR murah dan fabrikasinya saat ini kompatibel dengan teknologi VLSI (Very Large Scale Integration), sehingga sensor GMR dapat dengan mudah diintegrasikan dengan elektronik dan mikrofluida untuk mendeteksi banyak analit yang berbeda pada sebuah chip tunggal. Salah satu contoh penerapan biosensor GMR adalah pada pendeteksian DNA. Langkah-langkah pendeteksian DNA oleh biosensor diperlihatkan dalam gambar 59. Gambar 59: Prinsip biosensor GMR: (a) imobilisasi probe DNA; (b) hibridisasi DNA dari analit (c) pengikatan penanda magnetik [49] dan deteksi medan mereka oleh biosensor GMR. 4. PENGEMBANGAN SENSOR DI MASA DEPAN: SUATU PERSPEKTIF 4.1. Revolusi Industri Tahap ke Tiga Menurut Johan H. Huijsing [7] perkembangan teknologi otomatisasi mengalami tiga tahap, yaitu tahap mekanisasi, tahap informatisasi, dan tahap sensorisasi seperti ditunjukkan gambar 60. Pertama tahap mekanisasi yaitu saat manusia mulai mengembangkan mesin-mesin untuk industri, seperti mesin uap, mesin bakar, motor listrik, dan mesin jet. Tahap pertama ini melahirkan revolusi industri yang pertama. Tahap ke dua yakni era ketika manusia mulai mengembangkan logika artifisial dan komunikasi seperti komputer dan internet yang melahirkan revolusi informasi. Penemuan sensor-sensor baru yang ukurannya semakin kecil, harganya semakin murah, beratnya semakin ringan, kemampuannya semakin besar, memungkinkan manusia mengembangkan penginderaan secara buatan. Sensorisasi bersama-sama dengan mekanisasi dan 54 55

34 informatisasi akan melahirkan revolusi industri tahap ke tiga yang ditandai dengan mulainya era otomatisasi penuh dan robotisasi. Dalam sistem ini terdapat banyak sensor untuk memonitor banyak parameter di pesawat, seperti tekanan, temperatur, posisi dan parameter lainnya. Komputer untuk memproses sinyal, melakukan komunikasi, Mekanisasi Informasi Sensorisasi melakukan kontrol gerak aktuator, gerak mesin, gerak rudder. Dalam sistem ini terlihat jelas bagaimana mekanisasi, informatisasi dan sensorisasi saling bekerjasama yang memungkinkan pesawat terbang [50] Gambar 60: Sensorisasi: revolusi industri tahap ke tiga. Tanda-tanda ke arah ini sudah mulai tampak, misalnya dengan diciptakannya sistem kontrol otomatis penuh pesawat terbang modern seperti diperlihatkan gambar 61. secara autopilot. Perkembangan yang sangat maju pada otomatisasi teknologi pesawat terbang, sayangnya belum banyak diikuti oleh perkembangan otomatisasi di bidang lainnya, misalnya sampai saat ini belum ada mobil yang dapat berjalan secara otomatis penuh. Masalah utamanya adalah bahwa untuk otomatisasi kendaraan bermotor (mobil) diperlukan banyak sekali sensor seperti ditunjukkan Gambar 62. Dengan teknologi sensor yang ada sekarang hal ini belum memungkinkan, karena untuk itu mobil menjadi terlalu berat, terlalu banyak kabel, terlalu mahal untuk diproduksi. sensor komputer aktuator Gambar 61: Sistem pesawat otomatis penuh, contoh integrasi dari mekanisasi, informatisasi, dan sensorisasi[50]. Gambar 62: Sensor-sensor pada sebuah mobil

35 Untuk mengatasi masalah ini maka teknologi sensor yang akan datang harus dapat mereduksi biaya, berat, dan ukuran suatu sistem sensor sensor dan mudah diintegrasikan. Persyaratan ini dapat dipenuhi oleh suatu sistem sensor smart yang terintegrasi (integrated smart sensor system) Sistem Sensor Smart Terintegrasi Beberapa tahun belakangan ini banyak usaha dilakukan orang untuk meningkatkan kehandalan sensor dan sistem sensor dan sekaligus menurunkan biaya fabrikasi. Terutama akan dikembangkan sensor dan sistem sensor pada bidang-bidang yang banyak pemakainya, seperti kendaraan bermotor, perumahan (misalnya untuk keamanan, pengaturan sirkulasi udara, pengaturan temperatur, pengaturan kelembaban), transport makanan atau gudang tempat penyimpanan makanan (misalnya temperatur, kelembaban, konsentrasi gas) sehingga harga perbuah sensor atau sistem sensor bisa ditekan pada harga yang rendah. Tujuan ke depan adalah mebuat sensor atau sistem sensor yang smart, pengolahan sinyal mikrokontroler sistim bus Gambar 63: Sistem smart sensor dalam teknologi multichip. Konsekuensi penggunaan dari struktur sistem smart sensor seperti ini dan juga penggunannya untuk komponen instrumentasi lainnya mengarahkan kita pada bentuk sistem instrumentasi seperti pada gambar 64. Disamping sistem sensor terintegrasi dengan intelegensi terdesentralisasi suatu sistem instrumentasi dapat juga dilengkapi dengan smart aktor yang dilengkapi dengan algorima pengontrolnya. Proses Teknis terintegrasi, punya sistem bus, dan dapat direalisasikan dalam teknologi chip yang murah sebagai MCM (Multi-Chip-Module). Gambar 63. menunjukkan suatu sistem sensor smart terintegrasi yang dilengkapi dengan elemen sensor, pengolah sinyal, mikrokontroler dengan pengu- elemen sensor pengolah sinyal analog pengubah analog-digital mikrokontroler sistim bus ES PSA ADC μc SB ES PSA ADC μc SB EA DE DAC μc SB elemen aktuator daya elektronik pengubah digital-analog mikrokontroler sistim bus bah analog ke digital, dan sistem bus. Mikrokontroler memungkinkan pengolahan sinyal secara digital, sistem bus digital menawarkan kemudahan kontak/komunikasi dan kemudahan konfigurasi dalam suatu unit kontrol pusat SB UKP PC SB TPK pengguna tampilan dan papan ketik sistem instrumentasi. [7] Gambar 64: Struktur sistem instrumentasi masa depan

36 Suatu unit pengatur pusat (seperti PC, laptop, atau modul PC) berfungsi mengatur/mengontrol sistem bus dan bisa juga digunakan untuk melakukan pengolahan sinyal secara khusus, misalnya untuk mengolah atau mengenal citra. Melalui suatu papan ketik dan displai pengguna dapat berkomunikasi dengan sistem teknis, misalnya untuk menkonfigurasi atau melakukan konfigurasi baru terhadap sistem. Biaya produksi sistem instrumentasi seperti ini ditentukan oleh banyak hal, antara lain teknologi mikro dan teknologi sistem mikro, teknologi rekayasa, dan teknologi perangkat lunak yang digunakan. Untuk menekan biaya produksi perlu dilakukan pemilihan teknologi pembuatan yang tepat. putus untuk putra-putrinya, serta kakak, adik dan saudara dari kedua keluarga yang selalu memberi dukungan kepada saya untuk meraih jenjang pendidikan tertinggi. Dengan ketulusan dan segenap cinta, terima kasih untuk Prastuti Indreswari pasangan hidup saya yang dengan kesabaran, semangat, kegigihan dan rasa optimisnya yang luar biasa telah banyak mendorong saya agar senantiasa bertekad untuk menjadi manusia yang lebih baik dan lebih bermanfaat. Kedua buah hati kami Rakanda Pranidhana dan Daryanda Dwiammardi yang selalu menginspirasi dan berjiwa besar karena haknya atas saya yang terampas. Terima kasih yang mendalam kepada para guru dan pendidik yang telah berjasa membimbing dan mendidik saya sejak SD. Tebet Barat I, Jakarta, SMPN 43, Jakarta, SMAN 3, Jakarta,, Universitat des Bundeswehr München Jerman sehingga saya bisa menjadi UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan yang berbahagia ini perkenankanlah dengan segala kerendahan hati, saya sampaikan rasa hormat dan terima kasih kepada pimpinan dan anggota ITB atas kehormatan yang diberikan kepada saya untuk menyampaikan orasi ini di hadapan para hadirin sekalian. Terima kasih yang begitu dalam dan tak bertepi kepada ayahanda almarhum H. Sjafaroeddin Djamal dan ibunda Hj. Jusniar Djamal, kepada mertua almarhum H. Soegiri Brotowasito SH dan ibu Hj. Ien Soegiri insan seperti ini. Terima kasih kepada Prof. Ir. Lilik Hendrajaya, MSc. PhD., Prof. Dr. Freddy P. Zen, Prof. Dr. Ismunandar, Prof. Dr. Edy Soewono, dan Prof. Dr. Buchari yang telah memberikan rekomendasi kepada saya untuk menduduki jabatan akademik ini. Tak lupa saya sampaikan penghargaan yang tinggi kepada Prof. Dr.-Ing. Hans-Rolf Tränkler (Universitaet der Bundeswehr München, Jerman) atas ilmu, ide-ide, dorongan dan bimbingannya selama saya menempuh studi S3 hingga saat ini. Prof. Dr. rer. nat. E. Schruefer Hardjokusumo, yang doa, kasih sayang dan pengorbanannya tak pernah (Technische Universität München, Jerman) atas kerjasamanya, diskusi

37 diskusi sehingga memungkinkan kami terus belajar. Terima kasih kepada mengalir juga pahalanya kepada siapapun. Amien. Prof. Dr. -Ing. Hans-Dieter Liess (Universität der Bundeswehr München, Jerman) atas kerjasama yang baik selama. Secara khusus saya ucapkan terima kasih kepada Dr. Sutrisno atas bimbingan dan promosinya sejak saya kuliah hingga menjadi staf pengajar di Jurusan Fisika ITB. Terima kasih kepada Dr. Umar Fauzi, Dr. Sutarno dan Dr. Suparno Satira untuk diskusi-diskusi yang bermanfaat. Tak lupa terima kasih yang mendalam untuk teman seperjuangan almarhum Prof.Sukirno MSc.PhD. Terima kasih kepada teman-teman dosen di Fisika yang selalu memberikan inspirasi, diskusi yang bermanfaat dan lingkungan kerja yang menyenangkan. Untuk teman-teman di KK Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi atas kerjasama dan dukungannya. Terima kasih kepada para Guru Besar FMIPA ITB, yang telah memberi dukungan promosi kepada saya. Terima kasih kepada saudara Yulkifli, saudara Ramli, saudara Rahmondia yang banyak membantu saya dalam penelitian dan penyiapan tulisan ini. Terima kasih dan penghargaan yang tinggi juga saya sampaikan kepada staf pengajar, mantan mahasiswa, mahasiswa bimbingan, karyawan ITB serta pihak-pihak yang telah banyak membantu dan tidak dapat saya sebutkan satu persatu. Tentunya tiada gading yang tak retak, perkenankanlah dengan segala kerendahan hati, permohonan maaf saya atas ungkapan dan ucapan yang tidak berkenan dan jauh dari kesempurnaan ini. Mudah-mudahan percikan tinta yang dibuat dalam tulisan ini, andai menjadi kebaikan, REFERENSI 1. Traenkler, H.-R.: Core Technologies for Sensor Systems, Proc. Indonesian German Conference, Juli 2001, hal Marek, J.: Microsystems for Automotive Applications, Proc. Eurosensors XIII, The Hague, Niederlande, September 1999, hal Traenkler, H.-R.: Zukunftsmark Intelligente Hausinstrumentierung, Laporan penelitian: Verteilte intelligente Mikrosysteme fuer den privaten Lebensbereich (VIMP), Neubiberg, 4 Des. 1998, hal Intechno: Sensor Market 2008, Intechno Consulting, Basle, Switzerland, Traenkler, H.-R., Kanoun, O., Pawelczak, D. : Evolution of Sensor Elements towards Smart Sensor Systems, Proc. Internasional Conference on Instrumentation, Communication and Information Technology (ICICI) 2007, 8-9 Agustus 2009, hal H.-R. Traenkler, E. Obermeier, Sensortechnik, Handbuch fuer Praxis und Wissenschaft, Springer, Gerard C.M. Meijer (ed.), Smart Sensor System, John Willey & Sons, O. Kanoun: Modelling the P-N Junction I-U Characteristic for an Accurate Calibration-Free Temperature Measurement, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, hal , Volume 49, No. 4, Agustus

38 9. Gessner.T., Dotzel W., Hiller K., Kufmuann C., Kurth S.: Mikromechanische Sensoren und Aktoren Funktionsprint-zipein, Technologien und applikationen P , VDI Barichte Nr. 1530, Delapierre G., Danel J.S., Michel F., Bost J.L., Boura A., Aujay O.,.: A quart micromachined close loop accelerometer, P , Proc. of Eurosensors 87, September 1987, Cambridge. 11. Ruser H., Jena, A. V., Magori V., Trankler H.R., : A Low-cost Ultrasonicmicromawe multisensory for Roboust Sensing of Velocity and Range, Proc. of Sensor 99, Numberg, C3.3, Mitra Djamal: Untersuchungen zur Zuverlaessigkeit von Gassensoren, VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 15, Nr. 96, VDI Verlag, Benson, H., University Physics, John Wiley & Sons, Mitra Djamal., A study of Flat Coil Sensor for Measuring Displacements, KFI, Vol. 7, No. 2, Juli Mitra Djamal,. Indonesian paten pending, Sistem Sensor Getaran Menggunakan Koil Datar, No. Paten ID Yulkifli, Desain dan Pembuatan alat Ukur Tekanan Udara Berbasis Sensor Koil Datar, Laporan Tesis S2, ITB, Halliday, D., Resnick, R., Walker, J., Fundamentals of Physics, John Willey & Sons, Oppenheim, A. V., Signals and Systems, Prentice Hall, Zorlu, O., P. Kejik, R.S. Popovic, 2007: An Orthogonal Fluxgate-type Magnetic Microsensor with Electroplated Permalloy Core, J. Sensor and Actuator, 135, pp Mitra Djamal, 2007: Sensor Magnetik Fluxgate dan Aplikasinya untuk Pengukuran Kuat Arus, J. Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia, III, pp Yulkifli,, Mitra Djamal, Khairurrijal, Deddy Kurniadi, Pavel Ripka: Demagnetization Factor of a Fluxgate Sensor Using Double Pick-up Coils Configurations. Proc. of The 3rd Asian Physics Symposium (APS) July 22 23, 2009, Bandung, Indonesia. 22. Yulkifli, Mitra Djamal, Khairurrijal, Deddy Kurniadi, Pavel Ripka: The Influence of the Tape-core Layer Number of Fluxgate Sensor Using the Double Pick-up Coils to the Demagnetization Factor, Proc. ICICI-BME, November, 23-25, 2009, Bandung. 23. Ripka, P., 2001a: Magnetic Sensor and Magnetometers, Artec House 24. Nielsen O V, Petersen J R, Primdahl F, Brauert O., Hernando B, FernandezA, Merayo, J M G and Ripka P, Development, construction and analysis of the Oersted fluxgate magnetometer, J. of Meas. Sci. Technology, (1995) Mitra Djamal. et al.: Desain dan Pembuatan Sensor Medan Magnet Fluxgate Presisi Tiga Dimensi Menggunakan Metoda Posisi Pulsa, Laporan Penelitian Hibah Bersaing XII, Baschirotto, A. E. Dallago, P. Malcovati, M. Marchesi, G. Venchi, 2006: Development and Comparative Analysis of Fluxgate Magnetic Sensor Structure in PCB Tecnology, IEEE Transaction on Mangetics, 42 No. 6 pp Park, H.S., Jun, S.H., Won Y.C., Dong S.S., Kyoung W.N., Sang O.C., 2004: Development of MicroFluxgate Sensors with Electroplated Magnetic Cores for Electronic Compas, J. Sensor andactuator, 114, pp Wang, Y., Gang Liu, Yin X., Jianzhong Y., Yangchao T., 2006: Fabrication ot the Three-dimensional Solenoid Type Micra Magnetic Sensor, J. of Physics: Conference Series 34, pp

39 29. Fan, J., X.P Li, P. Ripka, 2006: Low Power Ortogonal Sensor with Electroplated Ni Fe /Cu Wire. J. of Apllied Physics, 99, pp. 08B B Kubik, J., L. Pavel, P. Ripka, 2006: PCB recetrack Fluxgate Sensor with Improved Temperatur Stability, J. Sensor andactuator, 130, pp Dezuari, O., Eric Belloy, Scott E., Gilbert, Martin A., M. Gijs, 1999: New Hybrid Technology for Planar Fluxgate Sensor Fabrication, IEEE Transaction on Magnetics, 35, pp Belloy, E., S.E. Gilbert, O. Dezuari, M. sancho, M.A.M. Gijs, 2000: A Hybrid Technology for Miniaturised Inductive Device Applications, J. Sensor and Actuator, 85, pp Ripka, P., 2001b: Micro-fluxgate Sensor with Close Core, J. Sensor and Actuator, A9. pp Chiesy,L., P. Kejik., B., Janosossy, R.S., Popovic, 2000: CMOS Planar 2D Micro-Fluxgate Sensor, J. Sensor andactuator, 82, pp, Tipek, A., P. Ripk, Terence O, J. Kubik, 2004: PCB Technology Used Fluxgate Sensor Construction, J. Sensor and Actuator, 115, pp Kawahito, S., Y. Tadakoro, 1996: High-Performance Micro Fluxgate Magnetics Sensors, Porc. International Conference on Microelectronics ICME, H.R, P , Bandung, Indonesia. 37. SELC, 2008: Penuntun Layanan PCB Purwarupa, SELC Sumber elektronic, Bandung. 38. Mitra Djamal, Yulkifli, Agung Setiadi, Rahmondia N.Setiadi: Desain Awal Elemen Sensor Fluxgate Berbasis Teknologi Printed Circuit Booards (PCB), disampaikan pada SNBM, 26 November Batan, Serpong. Diterbitkan pada Jurnal Sains Materi Indonesia (JUSAMI) 2009 (Inpress). 39. Djamal, M., R. N. Setiadi,: Pengukuran Medan Magnet Lemah Menggunakan Sensor Magnetik Fluxgate dengan Satu Kumparan Pick-Up, Jurnal Proceedings ITB, Mitra Djamal, Design and Development Fluxgate Magnetometer and Its Applications, Indonesian Journal of Physics Vol 17 No. 1, January 2006, Hal Ismu Wahyudi, Prototip Sensor Muai Berbasis Fluxgate Magnetometer, Laporan Thesis S2, ITB, Yulkifli, Rahmondia Nanda S., Suyatno, Mitra Djamal: Designing and Making of Fluxgate Sensor with Multi-Core Structure for Measuring of Proximity, Proc. CSSI 2007, Serpong Tanggerang- Indonesia. 43. Mitra Djamal,Rahmondia N. Setiadi, Yulkifli: Preliminary Study of Vibration Sensor Based on fluxgate Magnetic Sensor, Proc. ICMNS, Indonesian, G. Handayani, M. Djamal, W. Triyoso: " Desain dan Pengembangan Sensor Getaran dan Aplikasinya Untuk Online Monitoring Gempa", Laporan Kemajuan Program Hibah Kompetitif Peneltian Sesuai Prioritas Nasional Batch I, E. Y. Tsymbal and D.G.Pettifor (2001). Perspectives of Giant Magnetoresistance, dalam Solid State Physics, ed. by H. Ehrenreich and F. Spaepen, Vol. 56, Academic Press, 2001, pp Baibich, M.N., Broto, J.M., Fert, A.,Nguyen Van Dau, F.,Petroff, F., Etienne, P., Creutz,A., Friederich,A., Chazelas, Giant Magnetoresistance of (001) Fe/(001) Cr Magnetic Superlattices, J, Phys. Rev. Lett. 68 (1998) pp M. Djamal, Ramli, Yulkifli, Khairurrijal, Growth of NiCoFe/Cu/NiCoFe 66 67

40 Sandwich for Giant Magnetoresistance Material by Opposed Target Magnetron Sputtering, Proc. International Conference on Material for Advanced Technologies (ICMAT), Singapore, 28 June 3 July Ramli, Mitra Djamal, and Khairurrijal, Effect of Ferromagnetic Layer Thickness on the Giant Magnetoresistance Properties of NiCoFe/Cu/NiCoFe Sandwich Proceeding 3rd Asian Physic Symposium (APS) 2009, ISBN: , Bandung, July pp T. Saragi, M. Djamal, Khairurrijal and M. Barmawi, KFI, Vol. 14, No. 3, p , T. Saragi, M. Djamal, Darsikin and M. Barmawi, Proc. of 2004 Annual Physics Seminar, Sept. 30-Oct.1, Bandung (2004). Colton, R.J., Biosens. Bioelectron. 13, Li, G., S zun, S., Wilson, R.J., White, R.L., Pourmand, N.,Wang, S.X., Sensor and Actuators A, 126, Ferreira, H.A., Graham, D.L., Feliciano, N., Clarke, L.A., Amaral, M.D., Freitas, P.P., IEEE Trans. Magn. 41 (10), Schotter, P.B. Kamp, A. Becker, A. Puhler, G. Reiss and H. Brückl, Comparison of a prototype magnetoresistive biosensor to standard fluorescent DNA detection, Biosensors and Bioelectronics 19 (10), (2004). 51. Togar Saragi, Mitra Djamal, Darsikin, and M. Barmawi, Characteristic of Giant Magnetoresistance CoFe/Cu/CoFe Sandwich on Si (100) Substrates in Perpendicular Geometry Grown by dc-sputtering, Physics Journal of the Indonesian Physical Society, A7 (2005) M. Djamal, Darsikin, Togar Saragih, M. Barmawi, Design and development of magnetic sensors based on giant magnetoresistance (GMR) materials, J. Materials Science Forum Vols. 517 (June 2006) pp Mitra Djamal, Ramli, Yulkifli, and Khairurrijal, Effect of Cu Layer Thickness on Giant Magnetoresistance Properties of NiCoFe/Cu/NiCoFe Sandwich Proc. on ICCAS-SICE 2009 Fukuoka, Japan, August 18-21, 2009, pp Mitra Djamal, Ramli and Khairurrijal, Giant Magnetoresistance Material and Its Potential for Biosensor Applications Proc. ICICI-BME, Indonesia, Baselt, D.R., Lee, G.U., Natesan, M., Metzger, S.W., Sheehan, P.E., 68 69

41 CURRICULUM VITAE Nama : MITRA DJAMAL Tempat, tgl lahir : Jakarta, 22 Mei 1960 Alamat Kantor : Gedung Fisika FMIPA ITB, Jl. Ganesha 10 Bandung Pekerjaan : Staf pengajar Prodi Fisika, FMIPA, ITB. Bidang Keahlian : Teknik Pengukuran dan Otomatisasi Nama Istri Nama Anak : Ir. Hj. Prastuti Indreswari MM : - Rakanda Pranidhana - Daryanda Dwiammardi RIWAYAT PENDIDIKAN: S3, Universitaet der Bundeswehr Muenchen, Bidang Teknik Pengukuran dan Otomatisasi, S1,, Jurusan Fisika, RIWAYAT JABATAN FUNGSIONAL: Asisten Ahli Madya 1986 Asisten Ahli 1993 Lektor Muda 1995 Lektor Madya 1997 Lektor 2000 Lektor Kepala 2001 Guru Besar