A. Sejarah Termistor TERMISTOR Nama termistor berasal dari Thermally Sensitive Resistor. Termistor biasanya termasuk material-material semikonduktor yang dibagi dua golongan: oksida logam dan semikonduktor kristal tunggal. Negative Temperature Coefficient (NTC) pertama kali ditemukan oleh Faraday pada perak sulfid pada tahun 1833. Pemahaman tentang termistor oksida ini mengalami perkembangan yang sangat pesat oleh becker, Vervey dkk pada akhir tahun 1940-an. Termistor kristal germanium dipelajari oleh Lark-Horovitz dkk pada tahun 1946, dan oleh estermann (meneliti Si), Hung dan Gliessman pada tahun 1950, Friedberg pada tahun 1951, dan kemudian Fritzsche dan Kunzler dkk. Silikon pada suhu rendah dipelajari oleh Morin, Maita dan Cralson pada tahun 1954-1955. Broom juga mempelajari termometer GaAs pada tahun 1958. B. Struktur Termistor Termistor atau thermal resistor adalah suatu jenis resistor yang sensitive terhadap perubahan suhu. Prinsipnya adalah memberikan perubahan resistansi yang sebanding dengan perubahan suhu. Perubahan resistansi yang besar terhadap perubahan suhu yang relatif kecil menjadikan termistor banyak dipakai sebagai sensor suhu yang memiliki ketelitian dan ketepatan yang tinggi. Termistor yang dibentuk dari bahan oksida logam campuran (sintering mixture), kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel, berpengaruh terhadap karakteristik termistor, sehingga Pemilihan bahan oksida tersebut harus dengan perbandingan tertentu. Dimana termistor merupakan salah satu jenis sensor suhu yang mempunyai koefisien temperatur yang tinggi. Komponen dalam termistor ini dapat mengubah nilai resistansi karena adanya perubahan temperatur. Dengan demikian dapat memudahkan kita untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik. Termistor dapat dibentuk dalam bentuk yang berbeda-beda, bergantung pada lingkungan yang akan dicatat suhunya. Lingkungan ini termasuk kelembaban udara, cairan, permukaan padatan, dan radiasi dari gambar dua dimensi. Maka, termistor bisa berada dalam alat alat seperti disket, mesin cuci, tasbih (manik-manik), balok, dan satelit. Ukurannya kecil dibandingikan dengan termometer lain, ukurannya 1
dalam range 0.2mm sampai 2mm. Pengambaran struktur dan sambungannya diperlihatkan pada gambar 2.1. Gambar 2.1 Termistor dibedakan dalam 2 jenis, yaitu termistor yang mempunyai koefisien negatif, yang disebut NTC (Negative Temperature Coefisient), temistor yang mempunyai koefisien positif yang disebut PTC (Positive Temperature Coefisient). kedua jenis termistor ini mempunyai fungsinya masing masing, tetapi di pasaran, yang lebih banyak digunakan adalah termistor NTC. Karena termistor NTC material penyusunnya yaitu metal oksida, dimana harganya lebih murah dari material penyusun PTC yaitu Kristal tunggal. 1. NTC NTC merupakan termistor yang mempunyai koefisient negatif. Dimana bahannya terbuat dari logam oksida yaitu dari serbuk yang halus kemudian dikompress dan disinter pada temperatur yang tinggi. Kebanyakan pada material penyusun termistor biasa mengandung unsur unsur seperti Mn 2 O 3, NiO,CO 2 O 3, Cu 2 O, Fe 2 O 3, TiO 2, dan U 2 O 3. Oksida-oksida ini sebenarnya mempunyai resistansi yang sangat tinggi, tetapi dapat diubah menjadi bahan semikonduktor dengan menambahkan beberapa unsur lain yang mempunyai valensi yang berbeda disebut dengan doping dan pengaruh dari resistansinya dipengaruhi perubahan temperatur yang diberikan. Thermistor logam oksida digunakan dalam daerah 200K sampai 700K. Untuk digunakan pada temperatur yang sangat tinggi, thermistor dibuat dari Al 2 O 3, BeO,MgO,Y 2 O 3 2
dan Dy 2 O 3. Struktur termistor NTC secara umum dapat dilihat pada gambar 2.2. Gambar 2.2 2. PTC PTC merupakan termistor dengan koefisien yang positif. Termistor PTC memiliki perbedaan dengan NTC antara lain: 1. Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai positif hanya dalam interfal temperatur tertentu, sehingga diluar interval tersebut akan bernilai nol atau negatif 2. Harga mutlak dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih besar dari pada termistor NTC Jenis jenis PTC Jenis pertama terdiri dari thermally sensitif silicon resistors, kadangkadang disebut sebagai "Silistors". Device ini menunjukkan nilai koefisien suhu positif yang cukup seragam (sekitar 0,77% / C) kebanyakan dari silistor melalui berbagai wilayah/rentang operasional, tetapi dapat juga menujukkan koefisien suhu negatif di wilayah temperatur yang melebihi 150 C. Device ini paling sering digunakan untuk kompensasi terhadap device semiconducting silicon dalam kisaran temperature antara -60 C ke 150. Jenis kedua merupakan polycrystalline bahan keramik yang biasanya resistivitasnya tinggi tetapi terbuat dari semiconduktor dengan penambahan dopants. Umumnya dibuat dari campuran barium, timah dan strontium titanates dengan tambahan seperti yttrium, manganese, tantalum dan silika. Device ini 3
memiliki daya tahan-suhu karakteristik negatif yang sangat kecil. Koefisien suhu device ini hingga mencapaisuhu yang kritis, yang disebut sebagai "Curie", perubahan atau transisi suhu. Suhu kritis ini merupakan pendekatan, device ini mulai menunjukkan peningkatan, resistansi suhu coefficient positif seperti peningkatan resistansi yang besar. C. Karakteristik Termistor Termistor pada dasarnya adalah resistor, maka konduktivitasnya dapat diberikan pada persamaan : σ=1ρ=nqμn+pqμp Kebanyakan termistor digunakan pada daerah temperatur dalam konsentrasi inonisasi (n atau p) yang berpengaruh terhadap fungsi temperatur, diberikan dalam bentuk persamaan sebagai berikut : CONCENTRATION exp-eakt Dimana energy aktivasi E a adalah hubungan pada energy gap dan tingkat impuritas. Dimana nilai hambatan semakin kecil ketika temperaturnya dinaikkan, ini yang biasa disebut termistor NTC. Secara empiris dapat dideskripsikan sebagai: R=R0expB1T-1T0 (3.1) Dimana R adalah hambatan pada suhu T, R 0 adalah hambatan awal ketika T 0 (pada temperatur ruang), B adalah Konstanta termistor dimana besarnya bergantung dari jenis bahan dan memiliki dimensi yang sama dengan suhu. Harga konstanta termistor yang memenuhi pasar biasanya antara rentang 2000-5000 K. untuk menentukan harga konstanta termistor (B) ini, maka persamaan (3.1) dapat dinyatakan dalam bentuk: ρ=ρ0expb1t-1t0 Dengan ρ=ral merupakan resistivitas listrik termistor. Selain konstanta termistor (B), sensitivitas (α) juga menentukan karakteristik dari termistor. Nilai sensitivitas menentukan sejauhmana termistor yang dibuat dapat dengan cepat mendeteksi perubahan temperatur lingkunagn termistor. Termistor yang baik sensitifitasnya lebih besar dari -2,2%/K. nilai sensitifitas termistor (α) ini, dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: 4
6810I 024 6810 V Termistor α=1rdrdt=-bt2 Tanda negative menandakan NTC, Perubahan resistansi yang timbul dari perubahan temperatur T R=R T Ciri khas harga dari adalah sekitar 5% yang mana 10 kali lebih sensitive dari pada detector temperatur resistansi metal. Karakteristik kualitatif dari termistor ditunjukkan pada gambar 3.1. Resistansi dari thermistor berada pada daerah 1k sampai 10M. Pada temperatur yang lebih tinggi atau dalam device doped yang penuh, dopant sepenuhnya terionisasi, dan penurunan dari mobilitas ketika mulai terjadi hamburan phonon untuk mendominasi ketergantungan pada temperatur. Hal ini memberikan kenaikan untuk PTC. Secara umum PTC tidak lebih sensitive dari NTC sehingga jarang digunakan. I 10 10 8 8 6 6 5 4 4 2 2
0 0 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 V V Termistor Perlu diperhatikan untuk menghindari pemanasan sendiri dari termistor akibat pemberian arus yang terlalu tinggi. Dengan kata lain pemanasan sendiri ini dapat berubah menjadi suatu keuntungan untuk aplikasi spesifik yang mana akan didiskusikan nanti. Karakteristik I-V hasil dari pemanasan sendiri yang berbeda dengan NTC dan PTC. Dalam termistor NTC, induksi pemanasan sendiri menurun dalam hambatan dan mulai memberikan sesuatu yang positif untuk sumber tegangan gambar 3.2(a), lebih mudah untuk arus yang lebih tinggi. Dalam termistor PTC, resistansi pemanasan sendiri meningkat dan hasil nya memberikan nilai yang negatif untuk sumber arus gambar 3.2(b). Dibawah ini merupakan 2 kurva yang serupa untuk resistansi diferensial negative dengan S dan N bentuk karakteristik. Termistor PTC jenis pertama Untuk termistor PTC jenis pertama sama dengan profil untuk Semikonduktor intrinsik. Hal ini berhubungan dengan bahan pembentuk termistor PTC yaitu kristal tunggal silikon, dimana tidak ada doping yang ditambahkan pada kristal tersebut. Sehingga memiliki konsentrasi hole dan elektron yang sama. Termistor NTC dan PTC jenis kedua Untuk termistor NTC dan PTC jenis kedua, sama dengan profil untuk Semikonduktor ekstrinsik. Hal ini berhubungan dengan bahan pembentuk dari termistor NTC Yaitu dibuat dari oksida logam yang terdapat dari golongan transisi, seperti ZrO 2 - Y 2 P 3 NiAI 2 O 3 Mg(Al, Cr,Fe) yang dapat dirubah menjadi semikonduktor jika didoping dengan unsur lain yang memiliki valensi yang 6
berbeda. Termistor PTC jenis kedua termasuk semikonduktor ekstrinsik hal ini dikarenakan PTC dibuat dari bahan polycrystalline bahan keramik yang biasanya resistivitasnya tinggi tetapi terbuat dari semiconduktor dengan penambahan dopants. Sehingga memiliki konsentarsi hole dan electron yang berbeda. Maka diperoleh profil pita energy seperti gambar 3.4 dibawah ini: Untuk semikonduktor tipe P Untuk semikonduktor tipe n = E akseptor E E = E donor Gambar 3.4 konduksi model Termistor NTC banyak yang dibuat dari disk atau chip semikonduktor seperti sintered metal oksida. yang bertujuan untuk meningkatkan suhu semikonduktor sehingga meningkatkan jumlah elektron yang dapat bergerak dan loncat ke pita konduksi. Semakin banyak electron yang loncat, semakin besar arus yang dihasilkan. Hal ini dijelaskan dalam rumus: I = arus listrik (Ampere) n = rapat muatan (count / m³) A = luas penampang lintang (m²) v = kecepatan pembawa muatan (m / s) e = muatan elektron ( e = 1.602 x 10-19 coulomb) Jika terjadi perubahan suhu yang besar, maka diperlukan kalibrasi. Tapi jika perubahan suhunya kecil, maka resistivitas bahan linear sebanding dengan 7
suhu. Ada berbagai termistor semiconduktor dengan berbagai rentang dari sekitar 0,01 kelvin ke 2000 kelvins (-273,14 C to 1700 C). Kebanyakan termistor PTC, resistansi tiba-tiba meningkat pada suhu kritis tertentu. Perangkat yang dibuat dari doped keramik polycrystalline yang mengandung barium titanate (BaTiO 3) dan lainnya. Konstanta dielektrik merupakan bahan ferroelektrik yang bervariasi terhadap suhu. Di bawah titik suhu Curie, tingginya konstanta dielectric mencegah pembentukan potensi hambatan antara butir kristal, sehingga resistensi rendah. Pada saat ini perangkat memiliki koefisien suhu negatif yang kecil. Pada titik suhu Curie, konstanta dielectric relatif menurun yang memungkinkan pembentukan potensi hambatan di batas butiran, dan resistivitas meningkat tajam. Pada suhu lebih tinggi, sifatnya seperti sifat NTC. D. Aplikasi Termistor Termistor sangat menguntungkan untuk mengukur temperatur, karena disamping harganya yang murah, termistor memiliki resolusi tinggi dan memiliki ukuran dan bentuk yang fleksibel. Nilai mutlak dari hambatannya sangat tinggi jadi untuk kabel yang panjang dan hambatan konstan bisa ditoleransi. Tanggapan yang lambat (1 ms sampai 10s) bukan hal yang merugikan untuk aplikasi umum. 1. Pendeteksi dan pengontrol temperatur Termistor-termistor disediakan sangat murah dan dapat diandalkan sebagai sensor temperaturyang memiliki rentang yang lebar. Contoh-contoh sederhana jarak dari alarm-alarm api pada pendeteksi tumor. Kadangkadang termistor merupakan bagian dari osilator dan frekwensi keluarannya menjadi fungsi temperatur. 2. Compensasi Sebagian besar resistor dan penghubungpada PTC. Termistor dihubungkan pararel dengan NTC yang komponen-komponennya bisa di nonaktifkan dengan bantuan temperatur. 3. Seperti pada relay temperatur dan saklar Kegunaan pada efek-efek terhadap pemanasan ditunjukan pada gambar 3.2. Sebagai contoh, pengkarakteristikan dengan NTC (gambar 3.2a)) bisa 8
digunakan untuk mengatur tegangan dan pada penundaan dan waktu sirkuit. Pengkarakterisasian dengan PTC digunakan untuk memproteksi gelombang. 4. Pengukuran yang tidak langsung pada parameter-parameter lain Ketika termistor mengalami pemanasan atau ketika termistor berada dekat dengan sumber kalor, termistor akan menilai perubahan yang bergantung pada temperatur yang dilingkiupinya. Disini bisa dipakai untuk mengatur tingkat pencairan, aliran gas, tingkat pemvakuman dan lain sebagainya. 5. Detektor gelombang yang memiliki panjang gelombang yang lebar Aplikasi termistor pada fhoto detektor panjang gelombang dihasilkan pada salah satu detektor suhu yang disebut dengan termistor balometer. E. Hubungan Devices 1. Resistance Temperatur Detector (RTD) Resistance Temperatur Detector (RTD) hampir mirip dengan termistor bedanya RTD dibuat dari logam-logam. Karena dalam hal ini RTD selalu memiliki PTC dan αyang lebih kecil sekitar 0,5%/K. biasanya logam yang dipakai adalah platinum, nikel dan tembaga, yang mana platinum paling banyak digunakan. Rentang dari temperatur masing-masing material misal tembaga; Pt,-200 o C sampai 630 o C dan diatas 900 0 C tingkat akurasi berkurang; Ni,-80 o C sampai 300 o C dan Cu, -200 o C sampai 200 o C. Setiap RTD memiliki bentuk seperti kertas timah, dan memiliki hambatan sekitar 100 ohm. 2. Termistor Bolometer Bolometer adalah detektor suhu yang bertentangan dengan detektor kuantum tentang radiasi. Pada bolometer, radiasi diserap oleh material, temperaturnya meningat dan hambatan berubah dan di amati. Termistor bolometer adalah temistor sederhana dengan sebuah mantel khusus untuk lebih efisien dalam menyerap cahaya terutama pada spektrum inframerah. Sering kali film dengan ketebalan 200Ǻ dari bismut sering dipakai untuk keperluan ini. Respon terhadap Gelombang yang memiliki panjang 9
gelombang yang panjang diatas 1000 µm masih mungkin terdeteksi. Oksida logam pertama kali muncul pada tahun 1940. dan memakai kristal tunggal Ge dan Si. Termistor bolometer dimulai pada tahun 1960. Sekarang ini dengan penambahan doping Ge pada device lebih mudah. Pada pengoprasian sebenarnya, termistor bolometer lebih cocok untuk panjang gelombang yang pendek sekitar beberapa µm, dan sering kali suhunya menurun sampai 4K. Persamaan Arus pemanasannya adalah; η = H d T dt + G T Dimana n adalah efisiensi penyerapan, P adalah daya radiasi, H adalah kapasitas panas, G adalah konduktifitas kalor, dan T perubahan temperatur pendinginan dengan lingkungan. Kekurangan utama dari detektor termal apapun adalah pengaturan respon yang lambat pada waktu temperaturnya konstan, τ = Untuk respon yang cepat, kapasitas panas akan minimal dan suhu konduktivitas akan maksimal. Waktu respon yang sederhana serupa dengan termistor (1 ms sampai 10 s), dengan kuat arus detektor konstan, variabel tegangan diberikan oleh H G V = I R = IαRAT ηp = IαR G Dalam keadaan steady state. Ukuran ketelitian dapat diperbaiki dengan menggabungkan bolometer termistor dengan jembatan weatston. Contoh 10
dari aplikasi ini adalah alarm anti maling dan alarm kebakaran, dan mendeteksi terresial radiasi. 3. Detektor Pyroelektrik Detektor pyroelektrik merupakan perkembangan terbaru dari kelas detektor panjang gelombang yang panjang. Susunanya dapat dilihat pada gambar 4.1. Potongan meterial pyroelektrik berada diantara dua konduktivitas elektroda. Material pyroelektrik ini merupakan insulator yang baik. Biasanya sebagian besar materianya adalah triglycine sulfate, lithium tantalate dan lead zironate titanate. Detektor pyroelektrik mempercayakan beberapa perubahan ferroelektrik dengan mengubah momen dipol internal dengan temperatur dibawah temperatur currie. Perubahan induksi polarisasi mengubah permukaan dua elektroda yang saling berhadapan. Rangkain serupa dapat ditunjukkan seperti gambar 4.1 (b). Pembangkit dari perubahan kapasitor oleh kuat arus yang diberikan oleh persamaan I = AC p dt dt (4.1) 11
Conductive CIR (a) (b) L electtrodes PYROELEKTIK MATERIAL Gambar 4.1 (a) detektor pyroelektrik dihubungkan dengan resistor eksternal, (b) Rangkaian yang ekuivalen dengan (a) Dimana cp adalah koefisien pyroelektrik. Harga Cp adalah Cp~ 3 x 10-8 c/cm 2 -k. Persamaan 4.1 mengindikasikan perubahan temperatur. Oleh karena itu, modulasi cahaya dengan memotong atau dengan memberikan yang lainnya. Arus Fed untuk berat resistor yang besar R L harganya berkisar pada rentang 10 9-10 11 ohm. R L optimasi tegangan, tetapi mengurangi kecepatan trade-off. Sesuai untuk waktu Rc konstan, tegangan ini Fed untuk 12
FET mempunyai input impedansi tinggi dari pada R L tidak untuk tegangan berat. 13