3 SENSOR SUHU BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba,55 Sr,45 TiO 3 (BST) BERBANTUKAN MIKROKONTROLER ATMEGA8535 15 Pendahuluan Material ferroelektrik memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya, dapat terpolarisasi secara spontan dan menunjukkan efek histerisis yang berkaitan dengan pergeseran dielektrik dalam menanggapi medan listrik internal 1-3. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit, sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat piroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektro optik untuk diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVFRAM) (Azizahwati, 22), H. Syafutra et al. (21), Irzaman et al. (23). Mikrokontroler merupakan otak dari sebuah sistem elektronika digital, yang dimana sistem kerjanya diatur berdasarkan program dalam bahasa pemrograman yang digunakan. Bahasa pemrograman yang biasa digunakan dalam memrogram mikrokontroler produksi Atmel adalah bahasa Assembler, bahasa C, C++, basic, ataupun turbo pascal (Atmel (23) dan A. Ardian et al. (21)). ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR yang diproduksi secara masal pada tahun 26. ATMega8535 memiliki beberapa kemampuan, yaitu sistem mikrokontroler 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz, memiliki memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte dan EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 512 byte, memiliki ADC (Pengubah analog-kedigital) internal dengan ketelitian 1 bit sebanyak 8 saluran, memiliki PWM (Pulse Wide Modulation) internal sebanyak 4 saluran, portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps, dan enam pilihan mode sleep, untuk menghemat penggunaan daya listrik (Atmel (23) dan A. Ardian et al. (21)). Bahan dan Metode Karakterisasi film BST sebagai sensor suhu Rentang nilai Rentang nilai dari suatu sensor adalah nilai maksimum dan minimum yang dapat diberikan suatu sensor dari parameter yang dapat diukur[1]. Sensor dapat dikatakan memiliki rentang nilai minimum ataupun maksimum jika sensor tersebut tidak terjadi perubahan nilai keluaran (dalam hal ini berupa tegangan) jika diberikan rangsangan suhu (A. Ardian et al, 21). Proses pengujian dimulai dengan memberikan suhu dengan cara memasukan film BST ke dalam furnace, kemudian furnace diatur dengan suhu kenaikan sebesar 1 o C/menit dengan suhu awal 3 o C hingga film tidak lagi
16 menunjukan data keluaran yang cukup berarti (dalam kata lain perubahan nilai keluaran mendekati nol). Sensitivitas Secara umum, sensitifitas merupakan masukan minimum dari parameter fisik yang dapat membuat perubahan pada nilai keluaran. Sensitivitas dari sebuah sensor dapat didefinisikan sebagai kemiringan kurva karakteristik keluaran ( y/ x). Sensitifitas diperoleh dengan cara memberikan input berupa suhu. Dengan adanya input suhu, sensor akan merespon dan mengeluarkan output berupa tegangan tertentu (A. Ardian et al, 21). Resolusi Perubahan nilai terkecil sebagai nilai masukan yang dapat dibaca oleh sensor disebut sebagai nilai resolusi (A. Ardian et al, 21). Nilai resolusi dari film BST dapat diamati dari perubahan output ketika film BST diberikan input terkecil. Tingkat akurasi Perbedaan output maksimum yang dihasilkan terhadap nilai yang sebenarnya disebut sebagai tingkat akurasi (A. Ardian et al, 21). Pengukuran tingkat akurasi film BST dilakukan dengan cara membandingkan nilai parameter keluaran film BST dengan dengan alat ukur lain. Histerisis Histerisis merupakan pola jalur yang berbeda dari output sensor ketika diberikan input monoton naik dan dikembalikan monoton turun ke posisi semula (A. Ardian et al, 21). Pengintegrasian film BST sebagai sensor berbantukan mikrokontroler ATMega8535 pembaca suhu ruangan Sensor yang digunakan adalah film BST yang dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Sinyal tegangan keluaran dari jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp digunakan IC LM324 (Kurniawan, 211). Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Rangkaian penguat (op-amp)
17 Mulai Data output film BST Di kuatkan dengan rangkaian penguat (op-amp) Mikrokontroler ATMega8535 Tidak Tampilan di LCD Ya Selesai Gambar 11. Diagram alir pengujian sensor suhu BST Hasil dan Pembahasan Karakterisasi Film BST sebagai Sensor Suhu Pengukuran karakterisasi film BST sebagai sensor suhu dilakukan dengan cara pemberian rangsangan berupa suhu. Input suhu pada film diberikan di dalam furnace. Furnace diatur dengan kenaikan suhu 1 o C/menit. Pengukuran dilakukan dengan pemberian suhu awal 3 o C sampai suhu kondisi dimana film tidak lagi menunjukan output berupa tegangan yang cukup berarti. Proses pengukuran menggunakan rangkaian jembatan wheatstone. Output dari jembatan wheatstone menunjukan bahwa besarnya nilai output yang dihasilkan berbanding lurus dengan nilai input yang diberikan. Ouput yang berasal dari rangkaian jembatan wheatstone kemudian diplotkan dengan input (suhu) yang diberikan, sehingga diperoleh hasil rentang nilai, sensitivitas, resolusi, tingkat akurasi dari masingmasing film yang diolah dengan persamaan regresi linear. Hasil pengukuran menunjukkan perlakuan substrat enhancement menghasilkan nilai sensitivitas yang lebih baik dibandingkan dengan perlakuan substrat depletion. Secara jelas, rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi dari masing-masing film BST ditunjukkan pada Tabel 2. Hasil karakterisasi histerisis yang ditunjukan pada Gambar 12 sampai Gambar 17 menunjukkan bahwa histerisis pada film enhancement-85 o C (Gambar 14) mempunyai selisih suhu monoton naik dan monoton turun yang kecil dibandingkan film yang lainnya.
18 Tabel 2. Data rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi film BST sebagai sensor suhu Film BST Enhancement-8 o C Depletion-8 o C Enhancement-85 o C Depletion-85 o C Enhancement-9 o C Ulangan Rentang* ( o C) Sensitivitas* (mv/ o C) Resolusi Sensor* ( o C) Tingkat akurasi* (%) 1 3-74,639 1 93,8 2 3-112,653 1 95,3 3 3-79,642 1 96,3 1 - - - - 2 3-57,224 1 9,4 3 3-95,347 1 98,8 1 3-115,734 1 92,6 2 3-19.862 1 92.2 3 3-19,814 1 94,4 1 3-95.316 1 99 2 3-95,742 1 97,1 3 3-54,47 1 91,4 1 3-79.598 1 94.2 2 3-88,347 1 82,2 3 3-85,642 1 91,3 1 3-82.49 1 94.5 Depletion-9 o C 2 3-73,351 1 91,8 3 3-88,352 1 85,8 Sumber: *(A. Ardian et al, 21). 35 3 Tegangan Keluaran (mv) 25 2 15 5 2 4 6 8 12 14 Gambar 12. Histerisis BST enhancement-8 o C
19 Tegangan Keluaran (mv) 2 4 6 8 12 14 16 18 Gambar 13. Histerisis BST depletion-8 o C 3 25 Tegangan keluaran (mv) 2 15 5 5 15 2 Gambar 14. Histerisis BST enhancement-85 o C 14 12 Tegangan keluaran (mv) 8 6 4 2 5 15 2 Gambar 15. Histerisis BST depletion-85 o C
2 35 3 Tegangan keluaran (mv) 25 2 15 5 15 2 Gambar 16. Histerisis BST enhancement-9 o C 22 2 18 Tegangan keluaran (mv) 16 14 12 8 6 4 2 5 15 2 Gambar 17. Histerisis BST depletion-9 o C Hasil karakterisasi secara keseluruhan menunjukkan film terbaik yang bisa digunakan sebagai sensor suhu adalah film BST Enhancement-85 o C. Hal tersebut ditunjukan dengan rentang nilai 3 o C - 19 o C, sensitivitas,862 mv/ o C, resolusi film sebesar 1 o C, tingkat akurasi 92,2% dan histerisis yang kecil. Film inilah yang kemudian diintegrasikan ke mikrokontroler. Pengintegrasian Sensor Suhu BST Berbantukan Mikrokontroler ATMega8535 Hasil karakterisasi film BST digunakan sebagai data awal dalam pengintegrasian mikrokontroler. Ketika pengintegrasian mikrokontroler, data yang menjadi variabel tetap adalah tegangan, seperti ditunjukan pada Gambar 18.
21 12 8 6 4 y = 1.159x - 11.45 R² =.944 2 2 4 6 8 Tegangan Keluaran (mv) Gambar 18. Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-85 o C Mikrokontroler yang digunakan adalah ATMega8535 yang menggunakan Analog to Digital Converte (ADC) dengan resolusi 1 bit dengan tegangan referensi 4,8 volt, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan yang masuk sebesar,46875 volt. Untuk menyesuaikan resolusi film BST dengan resolusi ADC maka digunakan rangkaian penguat (op-amp). Rangkaian penguat yang digunakan adalah rangkaian penguat diferensial dan rangkaian penguat noninverting, yang ditunjukan pada Gambar 1. Rangkaian penguat diferensial adalah rangkaian yang membandingkan dua masukan. Rangkaian penguat diferensial yang digunakan adalah gabungan dari rangkaian noninverting dan inverting. Total penguatan rangkaian untuk film BST adalah 2 kali penguatan dari rangkaian penguat diferensial dan 11 kali penguatan dari rangkaian penguat noninverting, sehingga total penguatannya adalah 22 kali. Dari hasil penguatan diperoleh hubungan fungsi tegangan keluaran terhadap suhu yang ditunjukan pada Gambar 19. 12 8 6 4 y =.52x - 11.45 R² =.944 2 5 15 2 25 Tegangan Keluaran (mv) Gambar 19. Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-85 o C yang sudah dikuatkan dengan op-amp.
22 Melalui persamaan linear yang dihasilkan Gambar 19, mikrokontroler dapat membaca masukan dari tegangan yang diberikan. Persamaan linear ini selanjutnya dimasukan ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu dalam bentuk digital ditampilkan pada LCD berukuran 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 2. Port yang digunakan untuk LCD pada ATMega8535 adalah PORTD. Hasil pengukuran film BST sebagai sensor suhu dilakukan di dalam furnace dengan kondisi suhu 3 o C, 35 o C, 4 o C, 45 o C yang ditunjukkan pada Tabel 3. Perbedaan suhu yang terukur antara furnace dan sensor suhu film BST dikarenakan pengaruh dari persamaan linear yang dimasukan ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Dari pengukuran film BST sebagai sensor suhu didapat nilai ketepatan (presisi) sebesar 99,58%. Gambar 2. Tampilan suhu yang terukur oleh film BST. Tabel 3. Hasil pengukuran sensor suhu film BST. Sensor Suhu ( o suhu film C) BST ( o C) Perbedaan Suhu ( o C) 3 3,78,78 35 34,92,8 4 39,87,13 45 45,23,23 Simpulan Telah berhasil membuat sensor suhu berbasis bahan ferroelektrik film BST yang berbantukan mikrokontroller ATMega8535 dengan tingkat sensitivitas, akurasi, dan presisi yang tinggi. Dengan demikian film BST dapat digunakan sebagai sensor suhu untuk membaca perubahan lingkungan (dalam hal ini perubahan suhu).