SUBSTRAT SILIKON (100) TYPE-P YANG DIAPLIKASIKAN SEBAGAI SENSOR CITRA KAMERA DIGITAL PIKSEL TUNGGAL

Transkripsi

1 PEMBUATAN FOTOSENSOR BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 DENGAN IMPURITAS FERIUM OKSIDA (Fe 2 O 3 ) PADA SUBSTRAT SILIKON Si (100) TYPE-P YANG DIAPLIKASIKAN SEBAGAI SENSOR CITRA KAMERA DIGITAL PIKSEL TUNGGAL IHSAN SURUR SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

2

3 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Fotosensor Berbasis Bahan Ferroelektrik Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dengan Impuritas Ferium Oksida (Fe 2 O 3 ) pada Substrat Silikon Si (100) Type-P yang Diaplikasikan Sebagai Sensor Citra Kamera Digital Piksel Tunggal adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Juli 2012 Ihsan Surur NIM G

4

5 ABSTRACT IHSAN SURUR. Photosensor Producing based on Ferroelectric Material of Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 doped by Ferrium Oxide (Fe 2 O 3 ) on a P-Type Silicon Substate Si (100) applied as a Digital Camera with a Single Pixel Image Sensor. Under direction of IRZAMAN and IRMANSYAH. Thin film Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BST) doped with Fe 2 O 3 was grown on p-type silicon substrate (100) using chemical solution deposition (CSD). It used the solvent 2-methoxyethanol with annealing temperature of 850 C and the doping treatment Fe 2 O 3 of 2.5, 5, 7.5, 10 % of the mass formed BST. Pure BST had the highest absorption of 600 nm of light wavelength. Additions Fe 2 O 3 moves highest absorption in the range of 560 nm. Fe 2 O 3 addition was strengthening thin film sensitivity to the effects of light. In general, doping Fe 2 O 3 10% was result the best absorbance and current-voltage of BST thin film. Electrical properties of thin films BST include dielectric, photoconductivity, and dissipation energy. Based on the current-voltage (I- V) analysis, pure BST and doped BST showed photodiode properties. Dielectric values obtained in the range from to 243. Based on electrical conductivity data and energy dissipation, BST thin films have shown photodiode characteristics and are therefore suitable as light sensors. The image sensor in a digital camera is also a light sensor. This BST thin film has been scientifically proven to be a light sensor and also it can be applied as an image sensor. This is a novelty image sensor based on thin film Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3. Keywords : barium strontium titanate, thin film, photodiode, image sensor, digital camera

6

7 RINGKASAN IHSAN SURUR. Pembuatan Fotosensor Berbasis Bahan Ferroelektrik Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dengan Impuritas Ferium Oksida (Fe 2 O 3 ) pada Substrat Silikon Si (100) Type-P yang Diaplikasikan Sebagai Digital Kamera dengan Sensor Citra Piksel Tunggal. Dibimbing oleh IRZAMAN dan IRMANSYAH. Sensor telah berperan sangat banyak dalam kehidupan modern dewasa ini, dalam lingkupnya yang tidak hanya pada ranah personal kehidupan manusia, akan tetapi juga pada aspek sosial yang dapat bermanfaat pada kelangsungan peradaban manusia itu sendiri. Peran yang vital ini membuat penelitian dunia sensor terus berkembang untuk dapat melintasi semua dimensi keterbatasan-keterbatasan yang mungkin saat ini masih dialami. Dunia pendidikan maupun industri mengambil peran utama dalam kelangsungan suksesi perkembangan sensor yang sudah lintas bidang kejuruan, yang mungkin dulunya hanya terbatas pada ilmu elektro, ataupun MIPA dan sekarang merambah pada semua aspek keilmuan termasuk didalamnya dunia kedokteran. Namun kenyataannya saat ini hampir seluruhnya peralatan dan teknologinya pun itu adalah hasil impor dan masyarakat kita menjadi hanya sebatas konsumen saja tanpa tahu bagaimana dan seperti apa teknologi aplikatif tersebut dibuat dan dikembangkan. Disamping itu banyak penelitian-penelitian mengenai sensor yang dilakukan baik diluar maupun di dalam negeri, salah satunya penelitian sensor berbasis BST. Sumber daya ide kreatif hasil penelitian yang melimpah ini sangatlah sayang jika hanya sebatas pemenuhan tugas akademis saja dan belum memberikan kontribusi yang nyata terhadap dunia industri dalam negeri. Dengan model penelitian yang lebih aplikatif diharapkan dapat memberikan daya tarik terhadap industri dalam negeri untuk dapat merealisasikan hasil penelitian menjadi sesuatu hasil karya bangsa sendiri yang dapat digunakan. Sehingga diharapkan ke depannya negara ini menjadi negara yang tidak selalu tergantung pada negara lain dan dapat mensejajarkan diri dengan negara-negara yang menguasai teknologi. Barium Strontium Titanate (BST) thin film telah lama dipelajari sebagai salah satu material yang dapat diaplikasikan untuk Non Volatile Memory Device, Dynamic Random Access Memory (DRAM), voltage tunable device, Infra Red (IR), fotodioda dan sensor kelembaban. Film tipis BST dibuat dengan metode chemical solution deposition (CSD) dan spin coating di atas substrat Si tipe-p. Dari film tipis BST yang dihasilkan akan dikarakterisasi sifat listrik, optik, dan kepekaan setiap film tipis sehingga dapat dipilih film tipis yang paling baik untuk digunakan sebagai sensor cahaya Hingga saat ini belum dikembangkan secara luas pengaplikasian BST sebagai sensor citra, namun berdasarkan karakteristik dan sifatnya, lapisan tipis BST mampu mengubah besaran foton/cahaya menjadi aliran elektron/sinyal listrik sehingga memungkinkan untuk diaplikasikan sebagai sensor citra. Film tipis BST mudah dibuat dan diproduksi walau dalam skala laboratorium dengan biaya yang masih terjangkau. Di samping itu karakteristik film tipis BST dapat ditentukan berdasarkan jenis dan komposisi BST itu sendiri serta pendadahnya/doping.

8 Dengan kemampuan film tipis BST sebagai sensor cahaya/fotodioda serta belum adanya penelitian lanjut mengenai aplikasi sensor citra berbasis film tipis BST, hal ini menjadi dasar ide penelitian ini untuk dapat membuktikan pengaplikasian sensor citra berbasis film tipis BST. Berdasarkan hasil uji sensor cahaya lapisan tipis BST pada uji karakteristik sifat optik menunjukan fotodioda BST ini yang memiliki spektral yang dapat merespon cahaya di daerah cahaya tampak dan near-infrared serta memiliki responsivitas puncak pada panjang kisaran gelombang 900nm. Pada uji sifat dielektrik menunjukkan bahwa dielektriknya bertambah seiring pertambahan pendadah Fe 2 O 3 karena muatan positif pada pendadah yang digantikan Ti dengan demikian adanya penambahan konsentrasi pembawa muatan negatif yang menghasilkan peningkatan besar konstanta dielektrik. Maka film tipis yang didadah Fe 2 O 3 memiliki sifat dielektrik yang lebih baik dari pada tanpa pendadah. Pada uji konduktivitas listrik menunjukkan bahwa peningkatan pendadah keseluruhan menghasilkan nilai konduktivitas dengan pemberian radiasi, di mana nilainya lebih besar pada intensitas cahaya yang lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa film tipis BST merupakan bahan semikonduktor yang sensitif terhadap cahaya, sehingga dapat digunakan dalam aplikasi sensor cahaya. Pada uji karakteristik arus-tegangan menunjukkan bahwa terdapat perbedaan yang signifikan antara kondisi gelap dan terang untuk kurva karakteristik IV BST sehingga menunjukkan bahwa film tipis BST sensitif terhadap cahaya, terutama pada pendadah Fe 2 O 3 10%. Kedua perlakukan gelap dan terang menunjukan bahwa film tipis memiliki sifat dioda dengan tegangan knee. Tegangan knee ini memiliki kecenderungan menurun seiring meningkatnya pendadah. Pada pengujian proses pengambilan capture hasil citra yang diperoleh memiliki resolusi 500 x 500 piksel atau sekitar setengah megapiksel. Alat Kamera digital ini memiliki luas penampang retina/focal plane sebesar 2x2 cm yang merupakan luasan daerah yang dipindai oleh sensor. Dengan demikian besar satu pikselnya adalah berukuran 40x40 μm atau 40 μm per piksel. Hasil citra menghasilkan gambar yang kurang detil dan kurang jernih hal ini disebabkan oleh luasan sensor yang digunakan berukuran relatif besar sehingga ukuran satuan pikselnya akan menjadi besar pula, efektif bacaan optimal sensor ini adalah berukuran 1x1 mm. Garis-garis putih dan gambar yang berbayang yang timbul pada hasil citra dikarenakan keterbatasan sistem mekanis saat pemindaian, terdapat bagian gerakan kasar sehingga melompati bagian yang harusnya dipindai. Gerakan setiap sumbu x dan y seharusnya berpindah-pindah setiap jarak 40 μm untuk menghasilkan gambar yang baik. Namun demikian bentuk citra yang diperoleh masih dinilai cukup baik karena bentuknya masih bisa dikenali. Sehingga dengan demikian film tipis BST ini mampu diaplikasikan sebagai sensor citra. Kata kunci : barium strontium titanate, film tipis, fotodioda, sensor citra, kamera digital

9 Hak Cipta milik IPB, tahun 2012 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan b. Pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar bagi IPB. 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

10

11 PEMBUATAN FOTOSENSOR BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 DENGAN IMPURITAS FERIUM OKSIDA (Fe 2 O 3 ) PADA SUBSTRAT SILIKON Si (100) TYPE-P YANG DIAPLIKASIKAN SEBAGAI SENSOR CITRA KAMERA DIGITAL PIKSEL TUNGGAL IHSAN SURUR Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Biofisika SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

12 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Akhirudin Maddu, S.Si, M.Si

13 HALAMAN PENGESAHAN Judul Tesis : Pembuatan Fotosensor Berbasis Bahan Ferroelektrik Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dengan Impuritas Ferium Oksida (Fe 2 O 3 ) pada Substrat Silikon Si (100) Type-P yang Diaplikasikan Sebagai Digital Kamera dengan Sensor Citra Piksel Tunggal Nama : Ihsan Surur NIM : G Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. Irzaman, M.Si. Ketua Dr. Ir. Irmansyah, M.Si. Anggota Diketahui Ketua Program Studi Biofisika Dekan Sekolah Pascasarjana IPB Dr. Akhirudin Maddu, M.Si. Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr Tanggal Ujian : 31 Juli 2012 Tanggal Lulus :

14

15 PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan atas ke hadirat Allah SWT karena atas segala rahmat dan karunia-nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian ini adalah pengaplikasian sensor, dengan judul Pembuatan Fotosensor Berbasis Bahan Ferroelektrik Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dengan Impuritas Ferium Oksida (Fe 2 O 3 ) pada Substrat Silikon Si (100) Type-P yang Diaplikasikan Sebagai Sensor Citra Kamera Digital Piksel Tunggal. Terima kasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan Bapak Dr. Ir. Irmansyah, M.Si selaku komisi pembimbing yang telah memberikan arahan dan bimbingannya selama ini serta atas kesabarannya dalam mendampingi penyelesaian tugas ini. Bapak Dr. Akhirudin Maddu, S.Si, M.Si selaku ketua program studi atas dukungan dan arahannya. Kepada rekan-rekan Biofisika 2009 dan 2010 atas bantuannya selama ini. Kepada Bapak Setyo Purnomo, M.Hum dan Bapak Drs. Hemi Prasetyo, M.Si selaku atasan penulis serta rekan-rekan kerja di PP-IPTEK atas dukungan dan motivasi selama ini. Ungkapan terima kasih tak lupa pula penulis ingin sampaikan secara khusus kepada ayah, ibu, nenek, kakak, adik serta seluruh keluarga besar yang selalu memberikan do a, semangat dan kasih sayangnya kepada penulis. Penulis menyadari bahwa tulisan ini sangat jauh dari kesempurnaan. Untuk itu penulis mengharapkan segala kritik dan saran agar dapat memperbaiki kelemahan yang ada. Semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya serta dapat memberikan sumbangsih bagi perkembangan keilmuan dan teknologi. Akhir kata, semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat untuk kita semua. Bogor, Juli 2012 Ihsan Surur

16

17 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 19 Juli 1983 dari ayah Drs. Salim Mahmud, M.Si dan ibu Dedah Nurlaela. Penulis merupakan anak ketiga dari empat bersudara. Tahun 2002 penulis lulus dari SMA Negeri 5, Bogor dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis memilih mayor Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam dan lulus pada tahun Pada Tahun 2009 penulis berkesempatan untuk melanjutkan studi di program studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana IPB. Selama mengikuti perkuliahan di S1, penulis menjadi Asisten elektronika dasar, elektronika lanjut dan elektronika digital dari tahun 2005 hingga tahun Asisten Multimedia pada tahun ajaran 2005/2006. Asisten Mikroprosesor, Mikrokontroler dan Interfacing pada tahun ajaran 2005/2006. Asisten Perancangan Sistem Minimum pada tahun ajaran 2006/2007 serta asisten Komputer Jaringan Cisco pada tahun ajaran 2006/2007. Dan belakangan penulis aktif mengisi seminar mengenai robot di lingkungan IPB. Penulis mulai bekerja di Pusat Peragaan Iptek, Kementerian Riset dan Teknologi dari tahun 2007 hingga sekarang sebagai staf pengembangan peragaan.

18

19 xix DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... xxi DAFTAR GAMBAR... xxiii DAFTAR LAMPIRAN... xxv 1. PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian TINJAUAN PUSTAKA Kamera Sensor Citra Filter Warna Bahan Ferroelektrik Bahan Barium Stronsium Titanat (BST) Bahan Pendadah Ferium Oksida (Fe 2 O 3 ) Fotodioda Fotokonduktivitas Penguat Operasional Pengenalan Penguat Operasional Op-Amp Ideal Inverting Amplifier Non Inverting Amplifier MikroAVR MA Visual Basic METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Tahapan Penelitian Pembuatan Sensor Citra berbasis BST Pengujian Sensor Pembuatan Kamera Digital Piksel Tunggal Bagian-bagian kamera Cara kerja kamera Pengujian Kamera Evaluasi HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis BST Karakterisasi Sifat Dielektrik Karakterisasi Konduktivitas Listrik Karakterisasi Hubungan Arus-Tengangan (Kurva I-V)... 32

20 xx 4.5 Pengambilan Data Gambar KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 43

21 xxi DAFTAR TABEL Halaman 1 Jari-jari ion pendadah yang dapat digunakan sebagai soft doping dan hard doping Pengaruh pendadah terhadap konstanta dielektrik film tipis BST Tegangan Knee pada pada berbagai tingkat pendadah Fe 2 O

22

23 xxiii DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Prinsip kerja kamera analogi dari prinsip kerja mata Susunan 30 buah sensor CCD yang digunakan pada kamera citra teleskop Sloan Digital Sky Survey Sensor CCD dan skema kerja sensor CCD Sensor CMOS dan skema elektronik sensor CMOS Jenis filter warna model Bayer dan model CYGM Cara kerja filter RGB pada sensor citra Kurva histerisis film tipis Chip kapasitor BST Struktur Ba 0,5 Sr 0,5 TiO Penampang melintang Fotodioda Keadaan fotodioda persambungan p-n Konsep fotokonduktivitas Rangkaian Inverting Modul MikroAVR MA Antarmuka Visual Basic Proses penumbuhan film tipis Proses annealing Prototipe sel Fotovoltaik tampak atas Aplikasi Kamera Digital BST Kurva serapan panjang gelombang film tipis BST Kurva nilai dielektrik film tipis BST Kurva Konduktivitas listrik film tipis BST Kurva I-V film tipis BST Setup alat untuk proses capturing Hasil capture citra siluet kucing Hasil capture citra siluet kucing Hasil capture citra siluet citra buah-buahan Hasil capture citra logo IPB Hasil capture citra patung wisuda IPB Hasil capture citra lampu neon... 36

24

25 xxv DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Diagram alir penelitian Sampel perhitungan nilai konstanta dielektrik Diagram alir pembuatan kamera digital piksel tunggal Diagram alir cara kerja kamera digital piksel tunggal Gambar desain alat kamera digital piksel tunggal Foto alat kamera digital piksel tunggal Tampilan antarmuka aplikasi komputer kamera digital piksel tunggal Uji linearitas potensio geser sumbu x dan sumbu y Source code pemrograman Mikrokontroler AT Mega Source code pemrograman Visual Basic

26

27 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sensor adalah suatu alat atau komponen elektronik yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan secara fisik, kimia ataupun biologi. Variabel keluaran dari sensor yang diubah menjadi besaran listrik atau nilai tertentu dalam variabel yang ditentukan melalui sebuah sistem yang disebut transduser. Sensor telah berperan sangat banyak dalam kehidupan modern dewasa ini, dalam lingkupnya yang tidak hanya pada ranah personal kehidupan manusia, akan tetapi juga pada aspek sosial yang dapat bermanfaat pada kelangsungan peradaban manusia itu sendiri. Peran yang vital ini membuat penelitian dunia sensor terus berkembang untuk dapat melintasi semua dimensi keterbatasan-keterbatasan yang mungkin saat ini masih dialami. Dunia pendidikan maupun industri mengambil peran utama dalam kelangsungan suksesi perkembangan sensor yang sudah lintas bidang kejuruan, yang mungkin dulunya hanya terbatas pada ilmu elektro, ataupun MIPA dan sekarang merambah pada semua aspek keilmuan termasuk didalamnya dunia kedokteran. Perkembangan teknologi sensor sangat pesat seiring dengan kecanggihan dunia elektronika digital, perkembangan teknologi bahan dan tingkat kebutuhan manusia itu sendiri akan dukungan suatu sistem deteksi. Bahkan saat ini sensor tersebut telah dibuat dengan ukuran sangat kecil dengan orde nanometer sehingga peralatan dapat dibuat kompak dan menghemat energi. Demikian juga pesatnya perkembangan teknologi sensor saat ini sehingga sangat mudah menjumpai peralatan elektronik berbasis sensor di keseharian, seperti saat ini banyak peralatan canggih yang serba sentuh yang menggunakan sensor sentuh, lalu dunia fotografi digital dengan sensor citra yang tidak hanya dijumpai pada kamera tetapi juga pada handphone dan sudah bukan bagian yang terpisahkan, bahkan hingga mainan anak seperti pemanfaatan sensor suara untuk mengaktifkan gerakan mainan dan sebagainya. Namun kenyataannya saat ini hampir seluruhnya peralatan dan teknologinya pun itu adalah hasil impor dan masyarakat kita menjadi hanya

28 2 sebatas konsumen saja tanpa tahu bagaimana dan seperti apa teknologi aplikatif tersebut dibuat dan dikembangkan. Disamping itu banyak penelitian-penelitian mengenai sensor yang dilakukan baik diluar maupun di dalam negeri, salah satunya penelitian sensor berbasis BST. Salah satu peneliti IPB Huriawati (2009) telah melakukan penelitian dengan judul Sintesis Film BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya Sebagai Sensor Cahaya. Dan beberapa peneliti BST lainnya yang mengembangkan sensor cahaya dari BST (Dahrul et al. 2010; Sucipto et al. 2010; Syafutra et al. 2010). Dalam ajang bertaraf internasional di Malaysia. Kegiatan 18th Malaysia International Invention, Innovation and Technology Exhibition (ITEX) pada tanggal Mei 2007 di Kuala Lumpur yang merupakan kegiatan tahunan yang memamerkan produk untuk dipasarkan ke industri, Dr. Irzaman selaku Dosen Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan IPA IPB telah mengembangkan sensor berbasis BST dan berhasil memperoleh penghargaan medali Perak dan saat itu topik yang diusungnya adalah Development of Barium Strontium Titanate (BST) Based Sensors/Instrument (antaranews.com 2007). BST sebenarnya luas pengaplikasinannya diantaranya dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor dari sifat pizo-elektriknya, sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelektrik Random Acsess Memory (NVFRAM) (Seo 2004). Sumber daya ide kreatif hasil penelitian yang melimpah ini sangatlah sayang jika hanya sebatas pemenuhan tugas akademis saja dan belum memberikan kontribusi yang nyata terhadap dunia industri dalam negeri. Dengan model penelitian yang lebih aplikatif diharapkan dapat memberikan daya tarik terhadap industri dalam negeri untuk dapat merealisasikan hasil penelitian menjadi sesuatu hasil karya bangsa sendiri yang dapat digunakan. Sehingga diharapkan ke depannya negara ini menjadi negara yang tidak selalu tergantung pada negara lain dan dapat mensejajarkan diri dengan negara-negara yang menguasai teknologi.

29 3 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Membuat film tipis fotodioda pyroelektrik BST menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) dan spin coating 2. Membuat sensor citra berbasis fotodioda pyroelectric BST. 3. Membuat aplikasi kamera digital piksel tunggal 4. Membuktikan sensor fotodioda BST dapat diaplikasikan sebagai sensor citra

30

31 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kamera Kamera adalah alat paling populer dalam aktivitas fotografi yang bekerja memanfaatkan peristiwa fenomena optis melalui pengaturan cahaya. Prinsip dasarnya ialah seperti kerja dari mata. Perkembangan teknologi kamera tak bisa dilepaskan dari jasa seorang ahli fisika eksperimentalis pada abad ke-11, yaitu Ibn al-haytham (Abu Ali Al-Hasan Ibnu al-haitham, yang lahir di Basra ( M)). Al-Haytham dikenal juga sebagai pembuat perangkat optis yang disebut sebagai Camera Obscura atau pinhole camera. Kata "kamera" sendiri, berasal dari kata "qamara", yang bermakna "yang diterangi" (Arsyad 19989). Saat ini kamera digital lebih banyak digunakan sebagai alat perekam citra karena keunggulannya antara lain kepraktisan, resolusi yang masih bisa ditingkatkan, media penyimpanan tak terbatas, hasil aktual (realtime), hemat energi dan sebagainya. Kamera digital menggunakan sensor citra sebagai media pengumpul berkas cahaya benda yang dicitranya sebagai pengganti lempengan film pada kamera konvensional yang bekerja kimia. Sensor citra merupakan sensor cahaya yang dipasang secara matriks dua dimensi (array sensor). Aplikasi sensor citra ini sangatlah luas, baik pada pengamatan objek skala mikro misal pada mikroskop maupun skala makro yaitu teleskop ruang angkasa seperti Teleskop Hubble yang memanfaatkan sensor citra CCD untuk ekplorasi pencitraan luar angkasa (sumber: ). Gambar 1. Prinsip kerja kamera analogi dari prinsip kerja mata

32 6 2.2 Sensor Citra Sensor citra adalah perangkat yang dapat mengubah besaran cahaya/foton menjadi aliran elektron/sinyal listrik. Pada dasarnya sensor citra merupakan sensor cahaya (photodioda) atau sel surya yang disusun secara matriks dua dimensi (array sensor). Kerapatan sensor berkaitan dengan resolusi citra yang dihasilkan oleh sensor citra tersebut. Semakin banyak dan rapat sensor cahaya tersebut maka semakin besar resolusi gambar yang dihasilkan. Besarnya resolusi biasanya diukur dalam besaran piksel. Sensor ini banyak digunakan pada aplikasi optis seperti kamera digital, mikroskop digital, Termografi, Scanner, Teleskop, mesin fotokopi dan sebagainya. Gambar 2. Susunan 30 buah sensor CCD yang digunakan di kamera citra teleskop Sloan Digital Sky Survey Sensor citra ada dua jenis yaitu CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor) dan CCD (charge-coupled device). Kedua sensor ini pada dasarnya memiliki cara kerjanya yang sama yaitu mengubah informasi cahaya menjadi sinyal listrik. Perbedaan mendasar hanya pada desain sensor dan proses pembacaan nilai dari sinyal listrik yang terbaca. Sensor CCD merupakan sensor analog. Ketika cahaya mengenai sensor ini maka akan timbul muatan listrik di setiap piksel sensornya, lalu di pindahkan ke sudut arraynya (baris atau kolom), dikonversi menjadi tegangan serta dikonversi menjadi sinyal digital melalui sirkuit ADC (analog to digital converter). Sensor ini memerlukan proses pembuatan secara khusus untuk menciptakan kemampuan memindahkan elektron ke chip tanpa distorsi. Dalam artian sensor CCD menjadi

33 7 lebih baik kualitasnya dalam ketajaman dan sensitivitas cahaya. Sensor ini banyak digunakan pada perangkat profesional yang membutuhkan kualitas pencitraan yang tinggi (Wahana 2005). Gambar 3. Sensor CCD dan skema kerja sensor CCD Pada sensor CMOS di setiap piksel sensornya terdapat beberapa transistor penguat, biasanya tiga transistor penguat. Sensor ini dibuat dengan cara yang lebih tradisional yaitu dengan cara yang sama untuk membuat mikroprosesor, sehingga sensor CMOS ini lebih murah dan mudah diproduksi namun memiliki kemampuan pencitra dibawah sensor CCD. (sumber :howstuffworks.com 2010), Gambar 4. Sensor CMOS dan skema elektronik sensor CMOS. 2.3 Filter Warna Sensor citra pada dasarnya hanya mampu mengenali benda secara monokrom, tidak mampu mengenali warna dan hanya mengukur intensitas cahaya saja. Untuk dapat mengenali informasi warna dari suatu benda, sensor ini

34 8 menggunakan filter warna yang terletak pada bagian depan sensor, dengan demikian cahaya yang ditangkap akan di pisahkan dahulu berdasarkan warnanya lalu diukur masing-masing intensitasnya oleh sensor. Terdapat beberapa jenis filter warna yaitu filter warna Bayer, RGBE (merah, hijau, biru dan emeral), CYYM (sian, kuning-kuning dan magenta), CYGM (sian, kuning, hijau dan magenta), RGBW (merah, hijau, biru dan putih) dan lainnya. Perbedaan dari jenis-jenis filter warna tersebut adalah berdasarkan pemilihan warna filter dan penempatannya serta algoritma yang akan digunakan untuk merekonstruksi citra yang akan dihasilkan (sumber: wikipedia.org 2010). Gambar 5. Jenis filter warna model Bayer dan model CYGM Gambar 6. Cara kerja filter RGB pada sensor citra 2.4 Bahan Ferroelektrik Film tipis ferroelektrik banyak digunakan dalam aplikasi untuk piranti elektrooptik dan elektronik. Bahan pyroelektrik dan piezoelektrik merupakan sub

35 9 kelompok dari bahan ferroelektrik. Bahan ferroelektrik (tercakup di dalamnya pyroelektrik) seperti LiTaO 3, Ba x Sr 1-x TiO 3 dan turunannya (Ba x Sr 1-x TiO 3 didadah dengan Indium). Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar. Ferroelektrifitas merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu polarisasi spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik dalam menanggapi penerapan medan listrik. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit, pada lapisan dielektrik semikonduktor diharuskan ukuran sel direduksi besar-besaran, sehingga dianggap tidak praktis lagi, sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelektrik Random Acsess Memory (NVFRAM) (Azizahwati 2002). Sedangkan daerah operasi sensor ferreoelektrik (yang juga pyroelektrik) di sekitar suhu kamar selama di bawah suhu Curie (T c = C). Dalam penelitian ini dipilih bahan ferroelektrik (yang juga pyroelektrik) sebagai bahan untuk sensor cahaya dengan alasan cara pembuatan bahan ferroelektrik ini lebih mudah dan dapat dibuat dalam lingkungan yang tidak memerlukan pendinginan, berarti pembuatannya mudah dilakukan di laboratorium kampus Indonesia. Ferroelektrik menunjukkan bahwa kelompok material dielektrik yang dapat terpolarisasi listrik secara internal pada rentang temperatur tertentu. Polarisasi terjadi di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur kristalografi di dalam sel satuan. Jika pada material ferroelektrik dikenakan medan listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen dipol listrik. Momen dipol ini yang menyebabkan polarisasi. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisai dielektrik (Seo 2004).

36 Bahan Barium Stronsium Titanat (BST) Barium Stronsium Titanat (BST) adalah film tipis yang berpotensi untuk DRAM dan NVRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur Curie. Temperatur Curie pada Barium Titanat adalah C dan dengan adanya doping Stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada device yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation dan sol-gel process (Giridharan et al. 2001). Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam kristal film tipis BST. Pada suhu annealing C struktur BST yang teramati adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a = 3,97 Å untuk 30% mol Stronsium. Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor disipasi 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8 A/cm dari perhitungan I-V menggunakan device peralatan fabrikasi (Giridharan et al. 2001). Teknologi kapasitor BST multi-layer dengan kerapatan tinggi menawarkan keuntungan yang jelas untuk mendapatkan variasi modul dan paket elektronik. Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu memiliki range 0.5 pf sampai 500 nf, kapasitor bypass dan berbagai macam kapasitansi yang bisa dihubungkan dengan sebuah chip pasife singel film tipis. Chip kecil kapasitor multi fungsi bisa meningkatkan performa dan mereduksi ukuran Multi-chip module (MCM) dan Systems-in-Package (Si P), lihat Gambar 7. (Thomas et al. 2004) Gambar 7. Kurva histerisis film tipis.

37 11 Gambar 8. Chip kapasitor BST. Gambar 9. Struktur Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah Berikut Persamaan reaksi Barium Stronsium Titanate (BST) : (x)ba(ch 3 COO) 2 + (1-X) Sr(CH 3 COO) 2 + y Ti(C 12 H 23 O 4 ) + z O 2 a Ba (X) Sr (1X) TiO 3 + bco 2 + c H 2 (2.1) 0,5Ba(CH 3 COO) 2 + 0,5 Sr(CH 3 COO) 2 + Ti(C 12 H 28 O 4 ) + 22 O 2 Ba 0,5 Sr 0,5 TiO H 2 O + 16CO 2 (2.2) 0.25Ba(CH 3 COO) Sr(CH 3 COO) 2 + Ti(C 12 O 4 H 28 ) + 22O 2 Ba 0.25 Sr 0.75 TiO H 2 O + 16CO 2 (2.3) Film tipis Ba x Sr 1-x TiO 3 (BST) merupakan material ferroelektrik yang banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi (ε r >> ε SiO 2 ) dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity) yang dapat diaplikasikan sebagai kapasitor (Marwan 2007). Beberapa penelitian juga berpendapat bahwasana BST memiliki potensi untuk mengganti lapisan tipis SiO 2 pada sirkuit MOS di masa depan. Dari penelitian yang telah dilakukan sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya. Struktur mikro butir yang baik, tingkat tekanan yang tinggi, kekosongan oksigen,

38 12 formasi lapisan interfacial dan oksidasi pada bottom electrode atau Si dipercaya menjadi faktor yang menyebabkan penurunan sifat listrik ini (Marwan 2007). 2.6 Bahan Pendadah Pendadah adalah bahan yang digunakan untuk menambah jumlah elektron atau hole pada suatu material semikonduktor. Penambahan sedikit pendadah dapat menyebabkan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari keramik ataupun film tipis (Utami 2007). Bahan pendadah material ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft dopan dan hard dopan. Ion soft dopan dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih soften, yaitu koefisien elastis lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik yang lebih rendah dan kualitas listrik yang lebih rendah. Soft dopan disebut juga dengan istilah donor dopan karena menyumbang valensi yang berlebih pada struktur kristal BST. Ion hard dopan dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih hardness, seperti loss dielectric yang rendah, bulk resistivitas lebih rendah, sifat medan koersif lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi dan faktor kualitas listrik lebih tinggi. Hard dopan disebut juga dengan istilah acceptor dopan karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur kristal BST (Utami 2007). Tabel 1. Jari-jari ion pendadah yang dapat digunakan sebagai soft doping dan hard doping SOFT DOPING HARD DOPING Ion kecil r (Å) Ion besar r (Å) Ion kecil r (Å) Ion besar r (Å) Ti4+ 0,68 Ba2+ 1,35 Ti4+ 0,68 Ba2+ 1,35 Zr4+ 0,79 Sr2+ 1,02 Zr4+ 0,79 Sr2+ 1,02 Nb5+ 0,69 Nd3+ 1,15 Fe3+ 0,67 Na+ 0,94 Ta5+ 0,68 Sb3+ 0,90 Al3+ 0,57 K+ 1,33 Sb5+ 0,63 Bi3+ 1,14 Ga3+ 0,62 W6+ 0,65 Th4+ 1,10 In3+ 0,85

39 13 Cr3+ 0,64 O2-1, Ferium Oksida (Fe 2 O 3 ) Material ferium oksida merupakan material pendadah ion akseptor (acceptor dopant) Fe 3+, Fe 2 O 3 (hematile) memiliki struktur Kristal hombohedral dengan konstanta kisi a = 5,0329 ± 0.001Å. Rapat jenis Fe 2 O 3 adalah 5,24 g/ml dan titik lelehnya adalah 1565 C. Fe 2 O 3 tidak dapat larut dalam air namun dapat larut dalam asam (Lapedes 1978). Penambahan ion dopan Fe 3+ akan membentuk ruang kosong di posisi ion O 2-. Ion dopan Fe 3+ memiliki valensi lebih dari 4+, maka kekurangan muatan positif (+) akan terjadi pada struktur perovskite dan terbentuk ruang kosong di posisi ion oksigen sebagai kompensasi untuk menjaga kenetralan muatan (electroneutraly balance). Semakin banyak penambahan ion Fe 3+ maka akan mengakibatkan semakin banyak ion oksigen yang terlepas (Uchino 2000; Irzaman 2003). 2.8 Fotodioda Dioda merupakan sambungan p-n yang berfungsi sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi anoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif, sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada dioda ideal. Pada dioda faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V (sumber: wikipedia.org 2010).

40 14 Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Fotodioda dapat dianggap sebagai baterai solar, tetapi biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-x. Pada Gambar 10 memperlihatkan penampang bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki daerah permukaan aktif yang ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada akhirnya akan menghasilkan persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang ditumbuhkan biasanya memiliki ketebalan 1 µm atau lebih kecil lagi dan pada daerah persambungan lapisan-p dan lapisan-n terdapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif dari fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping (sumber: hamamatsu.com 2010). Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energi band gap Eg, elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada Gambar 11 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisan-n. Di dalam lapisan deplesi medan listrik mempercepat elektron-elektron ini menuju lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan elektron-hole dihasilkan di dalam lapisan-n, bersamaan dengan elektron yang datang dari lapisan-p sama-sama akan menuju pita konduksi di sebelah kiri (pita konduksi). Pada saat itu juga hole didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan dikumpulkan pada pita valensi lapisan-p. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisan-n. Muatan positif dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatip pada lapisan-n. (sumber: hamamatsu.com 2010).

41 15 Gambar 10. Penampang melintang Fotodioda. Gambar 11. Keadaan fotodioda persambungan p-n. 2.9 Fotokonduktivitas Perangkat fotokonduktivitas dibuat dengan tujuan menghasilkan perubahan resistansi atau tegangan ketika disinari cahaya. Dengan demikian devices banyak digunakan sebagai ON-OFF devices (saklar), measuring devices, atau limited power sources (Omar 1993). Fenomena fotokonduktivitas terjadi ketika sinar cahaya jatuh pada sebuah semikonduktor dan menyebabkan meningkatnya konduktivitas listrik.

42 16 Gambar 12. Konsep fotokonduktivitas. Ini berhubungan dengan eksitasi elektron melalui energi bandgap, yang menyebabkan peningkatan pasangan elektron-hole dan meningkatkan konduktivitas listrik. Eksitasi hanya dapat terjadi jika h ν > E (Omar 1993). Konsep fotokonduktivitas diilustrasikan pada Gambar 12. Sebelum ada cahaya yang menyinari, konduktivitasnya diberikan oleh Persamaan 1. o ( n µ p ) σ = e + µ (2.4) o di mana n o dan p o adalah konsentrasi pada kesetimbangan, dan σ o adalah konduktivitas dalam ruang gelap. Ketika cahaya jatuh pada semikondutor akan ada peningkatan konsentrasi pembawa bebas sebesar n dan p dan arus meningkat dengan tiba-tiba. Jika elektron dan hole selalu tercipta secara berpasangan maka akan didapatkan n = p. konduktivitas sekarang menjadi σ o = σ o + e n( µ e + µ h ) (2.5) σ = σ + e nµ ( 1+ b) di mana konduktivitas adalah o h o o e h o b = µ µ, adalah perbandingan mobilitas. Peningkatan relatif o ( b) σ e nµ + h 1 = σ σ o h g (2.6) Faktor yang mempengaruhi variasi n terhadap waktu yaitu; carrier (pembawa) bebas yang terus tercipta secara kontinu saat disinari cahaya dan hilangnya carrier secara kontinu juga akibat rekomedasi. Adanya rekomedasi menyebabkan terjadinya kondisi tidak seimbang. Variasi konsentrasi terhadap waktu diberikan oleh persamaan;

43 17 dn n n = g o (2.7) ' dt τ di mana g adalah laju generasi elektron per-satuan volume terhadap penyerapan cahaya. τ disebut waktu rekomendasi Penguat Operasional Pengenalan Penguat Operasional Operational Amplifier atau disingkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, dimana rangkaian feedback (umpan balik) negatif memegang peranan penting. Secara umum, umpan balik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan balik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur Op-Amp Ideal Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah dimaklumi ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 dan LM358 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 10 4 ~ Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Di sinilah peran rangkaian negative feedback (umpan balik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedansi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukannya adalah nol. Sebagai perbandingan praktis, opamp LM741 memiliki impedansi input Z in = 10 6 Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil.

44 18 Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu : Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v + dan v - adalah nol (v + - v - = 0 atau v + = v - ) Aturan 2 : Arus pada input Op-amp adalah nol (i + = i - = 0) Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisa rangkaian op-amp Inverting Amplifier Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 13, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti tersirat pada namanya, pembaca tentu sudah menduga bahwa fase keluaran dari penguat inverting ini akan selalu berbalikan dengan masukannya. Pada rangkaian ini, umpan balik negatif dibangun melalui resistor R2. Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground atau v + = 0. Dengan mengingat dan menimbang aturan 1, maka akan dipenuhi v - = v + = 0. Karena nilainya = 0, namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v - Pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung tegangan jepit pada R1 adalah v in v - = v in dan tegangan jepit pada resistor R2 adalah v out v - = v out. Kemudian dengan menggunakan aturan 2, diketahui bahwa : i in + i out = i - = 0, karena menurut aturan 2, arus masukan op-amp adalah nol. i in + i out = v in /R1 + v out /R2 = 0 Selanjutnya v out /R2 = - v in /R1... atau v out /v in = - R2/R1 Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis : Vout Rf Gain, Av = Vin = Rin (2.8)

45 19 Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini diketahui adalah nol (virtual ground), maka impedansi rangkaian ini tentu saja adalah Z in = R Non Inverting Amplifier Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 13 berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa rangkaian penguat op-amp non inverting, caranya sama seperti menganalisa rangkaian inverting. Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, kita uraikan dulu beberapa fakta yang ada, antara lain : v in = v + v + = v - = v in... lihat aturan 1. Dari sini ketahui tegangan jepit pada R 2 adalah v out v - = v out v in, atau i out = (v out -v in )/R 2. Lalu tegangan jepit pada R 1 adalah v - = v in, yang berarti arus i R1 = v in /R 1. Gambar 13. Rangkaian Inverting dan non-inverting. Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan bahwa : i out + i (-) = i R1 Aturan 2 mengatakan bahwa i (-) = 0 dan jika disubtitusi ke rumus yang sebelumnya, maka diperoleh

46 20 i out = i R1 dan Jika ditulis dengan tegangan jepit masing-masing maka diperoleh (v out v in )/R 2 = v in /R 1 yang kemudian dapat disederhanakan menjadi : v out = v in (1 + R 2 /R 1 ) Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting : Vout R1 Gain, Av = = + 1 (2.9) Vin R2 Impedansi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari input non-inverting op-amp tersebut. Dari data sheet, LM741 diketahui memiliki impedansi input Z in = 10 8 hingga Ohm MikroAVR MA-8535 MikroAVR MA-8535 merupakan modul berbasis mikrokontroler Atmega8535 buatan Atmel Corporation. Mikrokontroler AT Mega 8535 merupakan jenis mikrokontroler AVR (Alf and Vegard s Risc processor) yang memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computing) 8 bit. Semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 siklus clock. AVR yang digunakan yaitu Seri ATMega8535. ATMega8535 memiliki bagian dan fitur sebagai berikut: - Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu PortA, PortB, PortC dan PortD - ADC 10 bit sebanyak 8 saluran pada PortA - Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan - CPU yang terdiri dari 32 buah register - Watchdog Timer dengan osilator internal - Unit interupsi internal dan eksternal - Port antarmuka SPI - Antarmuka komparator analog - Port USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter) untuk komunikasi serial dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps

47 21 - Sistem mikroprosesor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz - Kapabilitas memori flash 8 KB dengan kemampuan Read While Write, SRAM sebesar 512 byte, dan EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 512 byte yang diprogram saat operasi - Enam pilihan mode sleep menghemat penggunaan daya listrik Gambar 14. Modul MikroAVR MA Visual Basic 2010 Visual Basic 2010 merupakan varian lingkungan pemrograman visual berbasis bahasa Basic pada sistem operasi Windows. Visual Basic memiliki fitur yang beragam selain dapat digunakan sebagai pembuat program berbasis visual pada fungsi windows, Visual Basic juga memiliki kemampuan interfacing melalui port serial. Dengan demikian pemrograman Visual Basic dapat dihubungkan dengan devais mikrokontroler.

48 Gambar 15. Antarmuka Visual Basic

49

50

51 III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini akan dilakukan mulai dari bulan Maret 2010 hingga bulan Januari 2012 di Laboratorium Material, Laboratorium Spektroskopi, Laboratorium Elektronika dan Mikrokontroler yang bertempat di departemen Fisika FMIPA IPB serta Workshop Elektronik, Workshop Metal dan Workshop Perkayuan di Pusat Peragaan Iptek, Kementerian Riset dan Teknologi. 3.2 Alat dan Bahan Alat yang digunakan untuk proses pembuatan sensor BST adalah neraca analitik, reaktor spin coating, mortal, pipet, gelas ukur 10 ml, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petritis, tissue, isolasi, dan blower. Bahan yang digunakan untuk pembuatan sensor BST adalah bubuk Barium Asetat [Ba(CH 3 COO) 2, 99%], Titanium Isopropoksida [Ti(C 12 O 4 H 28 ), %], Ferium Oksida [(Fe 2 O 3 )], pelarut 2-metoksietanol [H3COCH2CH2OH, 99%], substrat Si (100) tipe-p Alat instrumentasi sebagai alat ukur yang digunakan adalah multimeter, IV meter, Osiloskop, lightmeter/lux meter. Alat yang digunakan untuk proses pembuatan kamera BST adalah tang, bor listrik, gergaji, penggaris, solder dan komputer. Bahan yang digunakan untuk proses pembuatan kamera BST adalah plexy, gear box, potensio geser 10KΩ, mesin CD/DVD bekas, kabel, komponen elektronik, timah, lem, mikrokontroler, led, filter warna, lensa cembung dan sensor BST. 1.3 Tahapan Penelitian Tahapan pembuatan aplikasi BST untuk sensor citra kamera digital piksel tunggal meliputi: Pembuatan Sensor Citra berbasis BST Berikut adalah tahapan pembuatan sensor citra berbasis BST:

52 24 - Pembuatan substrat Si tipe-p Substrat yang digunakan dalam deposisi film tipis adalah substrat silikon tipe-p (Si) dengan orientasi bidang kristal. Substrat dipotong berukuran 1 cm². Setelah itu dilakukan pencucian substrat menggunakan aseton pro analisis untuk menghilangkan kotoran (minyak dan lemak) yang menempel pada permukaan substrat di dalam ultrasonik. Substrat dibilas dengan air deionisasi. Substrat dietsa dengan campuran larutan asam Florida (HF5%) sebanyak 2% dari air deionisasi selama 10 menit. Tujuan dari etsa dengan HF adalah agar permukaan substrat halus dan menghilangkan oksida serta mencegah terjadinya reoksidasi (Miyazaki et al. 2001). Kemudian substrat direnam lagi dengan air deionisasi. - Pembuatan Larutan BST, BNST dan BTST Film tipis BST ditumbuhkan diatas substrat menggunakan metode CSD dibuat dengan cara mencampurkan Barium Asetat [Ba(CH 3 Coo) 2, 99%] + Stronsium Asetat [Sr(CH 3 Coo)2, 99%] + Titanium Isopropoksida [Ti(C 12 H 28 O 4 ), 99%] + bahan pendadah sebagai precursor dan 2-metoksi etanol sebagai bahan pelarut. Dalam penelitian ini digunakan fraksi molar untuk Ba dan Sr sebesar 0,5. Untuk pembuatan BFST, metode CSD yang digunakan sama seperti pembuatan BST. Hanya saja pada BFST ditambahkan ferium oksida (Fe 2 O 3 ) sebanyak 2,5%, 5%, 7,5% dan 10% dari BST yang terbentuk. Larutan yang telah diperhalus lalu ditimbang menggunakan neraca analitik sesuai dengan konsentrasi yang telah ditentukan. Lalu bahan dicampur dan dikocok dengan alat ultrasonik (Bransonic 2510) selama 30 menit. Perhitungan massa tersebut sesuai dengan persamaan stoikiometeri: 0,5Ba(CH 3 COO) 2 + 0,5 Sr(CH 3 COO) 2 + Ti(C 12 H 28 O 4 ) + 22 O 2 Ba 0,5 Sr 0,5 TiO H 2 O + 16CO 2 - Proses Penumbuhan Film Tipis Substrat Si yang telah dibersihkan dengan asam florida, sebagian substrat lalu ditutup dan sebagian lainnya dibiarkan terbuka. Kemudian diletakkan di mesin spin coating. Substrat diberi tetesan sebanyak 3 tetes

53 25 lalu diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Minimal 3 kali perlakuan yang sama untuk mendapatkan lapisan yang homogen dan seragam. Kemudian substrat yang telah selesai ditetes dipanaskan di atas hot plate selama 15 menit, hal ini dimaksudkan agar sisa cairan larutan menguap dan hanya tersisa bahan BFST saja. Gambar 16. Proses Penumbuhan film tipis. - Proses annealing Proses annealing merupakan proses pemanggangan dengan pentahapan suhu. Proses ini dimaksudkan untuk menghasilkan kristal BFST pada substrat silikon yang telah dibuat. Pemanggangan pada suhu yang berbeda menghasilkan karakterisasi film tipis yang berbeda pula dalam hal struktur kristal, ketebalan dan ukuran butir. Pada penelitian ini untuk mendapatkan struktur kristal maka film tipis BFST diannealing pada suhu 850 C dengan laju pemanasaan 100 C/jam selama 9 jam dan ditahan konstan pada suhu 850 C selama 15 jam lalu didinginkan perlahan hingga suhu ruang selama 8 jam yang ditunjukkan pada gambar 17.

54 26 Gambar 17. Proses annealing. - Metalisasi dan pemasangan kontak Proses ini diawali dengan proses metalisasi, yaitu pemasangan metal (biasanya alumunium) pada sebagian sisi substrat dan film tipisnya. Lalu proses pemasangan kawat kabel pada metal dan pembuatan terminal kawat dengan header seperti pada gambar 18 dan film tipis BST siap diuji. Gambar 18. Prototipe sel Fotovoltaik tampak atas Pengujian sensor Pengujian sensor BST yang telah jadi untuk dipilih sensor terbaik dengan kriteria: - Memiliki sensitivitas paling baik diantara sensor-sensor yang dibuat - Memiliki daya sensor yang baik terhadap cahaya tampak - Memiliki output tegangan/arus yang stabil dan paling besar - Memiliki range sensing paling besar Pengujian dilakukan melalui uji penyinaran sensor dengan berbagai cahaya yang diujikan bersamaan dengan lightmeter. Juga dilakukan pengukuran besaran tegangan secara langsung dengan multimeter dan karakteristik kurva IV Pembuatan Kamera Digital Piksel Tunggal Bagian-bagian Kamera Pembuatan kamera berbasis sensor citra BST piksel tunggal meliputi pembuatan Sistem elektronik, system cerdas (mikrokontroler dan komputer), system mekanik dan system optis. Cara kerja pengambilan foto dengan metode scanning 2 dimensi (XY) pada bayangan nyata yang dihasilkan lensa.