Apakah film BST dapat diterapkan pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535?

RIWAYAT HIDUP

4. Apakah film BST dapat diterapkan pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535?

Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan menjadi landasan awal untuk pemanfaatan film BST sebagai cikal bakal sensor dalam bidang elektronika terlebih khusus dalam penerapannya di lingkungan masyarakat.

Ruang Lingkup Penelitian

1. Pada penelitian, film BST dibuat menggunakan metode CSD dengan variasi suhu annealing (800 oC, 850 oC, dan 900 oC).

2. Dua variasi perlakuan pada substrat silikon tipe-p (enhancement dengan kata lain tanpa dipanaskan terlebih dahulu, depletion dengan kata lain dipanaskan terlebih dahulu pada suhu 800 0C) yang dilakukan sebelum penetesan larutan BST di atas substrat.

3. Karakterisasi film BST sebagai sensor cahaya (sensitivitas) dan sensor suhu (sensitivitas, rentang nilai, resolusi, tingkat akurasi, dan histerisis). 4. Penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan sensor suhu pada model

sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535.

5 2 SINTESA MATERIAL SEMIKONDUKTOR BERBASIS BAHAN

FERROELEKTRIK FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST)

Pendahuluan

Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika, digunakan misalnya untuk membuat dioda, transistor, dan IC

(integrated circuit). Dewasa ini bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah kristal silikon.Dahulu orang juga menggunakan unsur Germanium. Kedua unsur ini merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal galium-arsenida yang terbentuk dari unsur galium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok IV, sehingga dapat pula digunakan untuk membentuk bahan semikonduktor (Sutrisno, 1986).

Pada umumnya semikonduktor bersifat isolator pada suhu dekat 0 oC dan pada suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor murni, yaitu yang terdiri dari unsur silikon saja atau unsur germanium saja yang disebut semikonduktor intrinsik. Semikonduktor yang digunakan untuk membuat dioda dan transistor terdiri dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan unsur kelompok V atau kelompok III. Semikonduktor yang dihasilkan desebut simikonduktor ekstrinsik (Sutrisno, 1986).

BST telah dikembangkan secara luas sebagai bahan ferroelektrik yang dapat digunakan dalam perangkat microwave tunable, seperti pada phase shifter,

tunable filter, resonator, antenna, dan delay line (Iskandar, 2011).

Suhu curie pada barium titanat adalah 130 oC, dengan adanya doping

stronsium suhu curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada piranti yang memerlukan suhu kamar (Iskandar, 2011).

Bahan dan Metode Persiapan substrat

Substrat yang digunakan adalah silikon tipe-p. Substrat dipotong membentuk persegi dengan ukuran 1 cm x 1 cm sebanyak 18 buah (masing- masing enhancement dan depletion sebanyak 9 buah substrat). Setelah proses pemotongan, kemudian dilanjutkan dengan pencucian menggunakan Asam Flurida (HF) 5% yang dicampur aquabides dengan perbandingan 1 : 5 (volume). Pembuatan larutan

Larutan BST yang ditumbuhkan di atas substrat dengan metode CSD dibuat dari 0,3512 g Barium Asetat [Ba(CH3COOH)2, 99%], 0,2314 g Strontium

Asetat [Sr(CH3COOH)2, 99%)], 0,7105 g Titanium Isopropoksida [Ti(C12O4H28),

99%], dan 2,5 ml 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99%] sebagai pelarut

untuk mendapatkan 1 M. Kemudian seluruh bahan tersebut kemudian disonikasi dalam ultrasonik model Branson 2210 selama 1 jam (campuran disebut prekursor).

Persamaan reaksi film BST dengan fraksi mol 0,55 dan 0,45 untuk Barium dan Stronsium adalah:

0,55Ba(CH3COO)2 + 0,45Sr(CH3COO)2 + Ti (OCH(CH3)2)4 + 22O2

Ba0,55Sr0,45TiO3 + 17H2O + 16CO2

Penumbuhan film

Proses penumbuhan film dilakukan dengan menggunakan reaktor spin coating, dimana substrat silikon tipe-p yang telah dicuci sebelumnya diletakkan di atas piringan reaktor spin coating yang telah ditempeli dengan double tape pada bagian tengahnya. Kemudian 1/3 permukaan substrat silikon tipe-p yang telah ditempelkan pada permukaan piringan spin coating ditutupi dengan merekatkan

seal tape. Perekatan seal tape bertujuan untuk menghindari agar tidak semua permukaan substrat silikon tipe-p terlapisi atau tertutupi oleh larutan BST, dan penempelan double tape bertujuan agar substrat tidak terlepas saat piringan reaktor spin coating berputar.

Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coating ditetesi larutan BST sebanyak 3 tetes, kemudian reaktor spin coating diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dilakukan sebanyak 3 kali dengan jeda setiap ulangan adalah 60 detik (Hamdani et al. (2009), Seo et al.

(2004), dan Uchino et al (2000)). Setelah penetesan, substrat diambil dengan menggunakan pinset.

Proses annealing

Proses annealing bertujuan untuk mendifusikan larutan BST dengan substrat. Proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model VulcanTM-3-130 dan dilakukan secara bertahap. Pemanasan dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan yaitu sebesar 800 oC, 850 °C, dan 900 oC dengan kenaikan suhu pemanasan yang disesuaikan (1,7 °C/menit), kemudian suhu annealing ditahan konstan hingga 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang. Proses annealing ditunjukkan pada Gambar 1.

Hour Furnace cooling 9 24 36 T0 Tann T (oC)

Gambar 1. Proses annealing.

Pembuatan kontak pada film

Lubang kontak pada film dibuat berbetuk persegi dengan ukuran 2 mm x 2 mm pada lapisan BST dan menutup bagian lain dari film BST yang tersisa dengan menggunakan aluminium foil. Poses selanjutnya adalah metalisasi aluminium (Al) sebagai media kontak film yang dilakukan secara evaporasi pada ruang vakum

7 udara. Kemudian pemasangan hidder dan kawat tembaga yang berukuran halus dengan menggunakan pasta perak. Model film BST ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Model film BST

Barium asetat Ba(CH3COO)2, 99% Stronsium asetat Sr(CH3COO)2, 99% 2-metoksietanol H3COOCH2CH2OH, 99% Titanium isopropoksida Ti(C12O4H28), 99%

Dicampur dan disonikasi selama satu jam dengan Branson 2210

Campuran BST (prekursor)

Spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik di atas substrat Si (100) tipe-p sebanyak 3 tetes

Annealing pada suhu 850 0_C

Film Ba0,55Sr0,45TiO3 Si (100) tipe-p enhacement Si (100) tipe-p deplesi Mulai

Gambar 3. Diagram alir pembuatan film BST.

Hasil dan Pembahasan

Film BST yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Substrat silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p,

Si (100) p-type

Glass Preparations

Ba0.55Sr0.45TiO3

(Al) contacts Silver Paste

fine wires

sedangkan larutan BST yang ditumbuhkan di atas substrat merupakan semikonduktor tipe-n. Persambungan tipe-p dan tipe-n dikenal dengan istilah p-n junction.

Sebuah piranti elektronik memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Ada yang memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi arus tegangan merupakan suatu cara untuk menentukan apakah sebuah piranti elektronik memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda.

Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Bentuk dioda yang diperoleh berasal dari semikonduktor jenis p (silikon tipe-p) yang dibuat bersambungan dengan semikonduktor jenis n (BST). Penyambungan ini dilakukan saat penumbuhan kristal. Secara skematis dioda sambungan p-n ditunjukkan pada Gambar 4.

Si tipe-p (anoda)

BST (katoda)

Gambar 4. Susunan dioda sambungan p-n

Gambar 5 memperlihatkan pola kurva karakterisasi arus tegangan yang dilakukan oleh Putra (2012) setelah dibandingkan dengan literatur, menunjukan bahwa sampel bersifat dioda. Hal ini menunjukan bahwa prinsip dasar persambungan p-n pada sampel bekerja.

Tegangan (V) -30 -20 -10 0 10 20 30 Aru s Li s tr ik ( A) x 10 -4 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 fraksi mol 0,5 fraksi mol 0,6 fraksi mol 0,7 fraksi mol 0,8

Gambar 5. Kurva arus tegangan film BST (Putra, 2012)

Kurva karakterisasi arus tegangan yang ditunjukkan pada Gambar 5 adalah kurva untuk film BST dengan fraksi mol 0,5; 0,6; 0,7; dan 0,8. Pada penelitian ini,

9 tidak dilakukan karakterisasi arus tegangan pada film BST dengan fraksi mol 0,55. Namun, berdasarkan penjelasan Gambar 5, dapat diasumsikan film BST dengan fraksi mol 0,55 memiliki karakterisasi arus tegangan bersifat dioda.

Perlakuan variasi substrat silikon tipe-p menghasilkan sampel yang diberi label enhancement dan depletion. Sehingga dengan variasi suhu annealing 800 oC diperoleh sampel enhancement-800 oC, depletion-800 oC. Begitu pula dengan sampel suhu annealing 850 oC dan 900 oC. Pengulangan film BST setiap label dilakukan sebanyak 3 kali, sehingga jumlah film BST yang dibuat sebanyak 18 sampel.

Simpulan

Telah berhasil dibuat bahan semikonduktor film BST dengan menumbuhkan larutan BST diatas substrat silikon tipe-p. Film yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor (p-n junction) yang memiliki sifat dioda.

3 STUDI KARAKTERISASI BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA

Pendahuluan

Sensor adalah alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi dan sering berfungsi untuk mengukur magnitude sesuatu. Sensor adalah jenis transduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor biasanya dikatagorikan melalui pengukuran dan memegang peranan penting dalam pengendalian proses pabrikasi modern (Carr, 1993).

Fotodioda adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik (Iskandar, 2011).

Irzaman (2008) menjelaskan bahan ferroelektrik film BST dapat digunakan untuk aplikasi sensor cahaya yang kemudian dapat dikembangkan menjadi sel surya.

Nilai konduktivitas listrik suatu bahan material menunjukkan material tersebut bersifat isolator, semikonduktor, atau konduktor. Iskandar (2011) memaparkan nilai konduktivitas listrik film BST semakin meningkat berdasarkan lama waktu annealing. Meningkatnya nilai konduktivitas listrik disebabkan oleh ketebalan film yang semakin besar seiring lamanya waktu annealing (Iskandar, 2011).

Bahan dan Metode

Karakterisasi meliputi pengujian film BST sebagai sensor cahaya (sensitivitas) dengan rangkaian bias maju dan bias mundur yang ditunjukkan pada Gambar 6. Si tipe-p (anoda) BST (katoda) Si tipe-p (anoda) BST (katoda) (a) (b)

Gambar 6. Skema pengujian sensitivitas film BST: (a) bias maju, (b) bias mundur.

Pengujian dilakukan dengan bantuan jembatan wheatstone, dengan tujuan dapat menambah sensitivitas sensor. Rangkaian jembatan wheatstone ditunjukkan pada Gambar 7.

11 100 Ω 1 M 4,7 K Film Ba0.55Sr0.45TiO3 Jembatan Wheatstone V

Gambar 7. Rangkaian jembatan wheatstone

Film BST memiliki hambatan berkisar ±106 Ω [40]. Dengan menentukan nilai R1 dan R3, maka besarnya nilai R2 bisa diperoleh dengan menggunakan

persamaan R1.R3=R2.R4.

Langkah mendapatkan nilai R2 pada penelitian ini adalah, pertama

menentukan nilai R1 dan R3 sebesar 1 M dan 100 Ω. Kedua, pada rangkaian

jembatan wheatstone awalnya R2 menggunakan potensiometer 100 K, tujuannya

menjadikan V di potensiometer menjadi bernilai 0 volt. Kemudian potensiometer dicabut, ukur hambatan pada potensiometer dengan multimeter. Nilai yang terbaca pada multimeter adalah nilai hambatan yang digunakan sebagai R2. Nilai

hambatan yang terbaca adalah 4, 68 K, sehingga digunakan R2 = 4,7 K.

Pengukuran dilakukan pada kaki 1 dan 3 potensiometer.

Karakterisasi sebagai sensor

cahaya Mulai

Sensitivitas

Bias maju Bias mundur

Selesai

Hasil dan Pembahasan

Pengukuran sensitivitas sensor cahaya BST, dilakukan dengan cara sensor diberikan rangsangan berupa cahaya. Dengan adanya rangsangan, sensor akan merespon dan mengeluarkan output berupa tegangan tertentu. Untuk menambah sensitivitas, saat pengukuran film dirangkai dengan rangkaian jembatan

wheatstone.

Pengukuran dilakukan pada dua kondisi, yaitu gelap (±2 lux) dan terang (±452 lux). Hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel 1. Meningkatnya intensitas cahaya maka semakin banyak elektron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Hal ini sesuai, bahwa elektron yang tereksitasi ke pita konduksi ini akan meningkatkan pembawa muatan yang pada akhirnya akan meningkatkan konduktivitas listrik (Kurniawan, 2011).

Sensitivitas film BST sebagai sensor cahaya ditunjukkan oleh perbandingan

antara perubahan tegangan dengan perubahan intensitas (∆V/∆I). Semakin besar

perubahan tegangan maka film semakin sensitif. Tabel 1 menunjukkan pengukuran dengan bias maju memiliki nilai sensitivitas yang lebih besar dibandingkan dengan pengukuran bias mundur. Hal ini dikarenakan ketika kondisi bias maju (Si tipe-p dihubungkan ke V(+), BST tipe-n dihubungkan ke V(-)) arus akan mengalir dari katoda ke anoda, sehingga film BST bersifat konduktor. Pada Gambar 9 menunjukkan pula film dengan sampel enhancement-850 oC memiliki sensitivitas terbaik sebagai sensor cahaya. Film inilah yang bagus dijadikan sensor cahaya dan selanjutnya dapat diintegrasikan ke mikrokontroler.

Gambar 9. Sensitivitas film BST pada rangkaian bias maju dan bias mundur

0 0,05 0,1 0,15 0,2 S e n si ti v it a s ( ∆ V /∆ lu x) Film BST Bias maju Bias mundur

Simpulan

Film BST menunjukkan perubahan nilai konduktivitas ketika intensitas cahaya yang jatuh pada film berubah. Hal ini dikarenakan, meningkatnya intensitas cahaya maka semakin banyak elektron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Sehingga elektron yang tereksitasi ke pita konduksi akan meningkatkan pembawa muatan yang pada akhirnya akan meningkatkan konduktivitas listrik.

15 3 SENSOR SUHU BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) BERBANTUKAN MIKROKONTROLER ATMEGA8535

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 internal1-3. 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, 2002), H . Syafutra et al. (2010), Irzaman et al. (2003).

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 (2003) dan A. Ardian et al. (2010)).

ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR yang diproduksi secara masal pada tahun 2006. 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-ke- digital) internal dengan ketelitian 10 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 (2003) dan A. Ardian et al. (2010)).

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, 2010).

Proses pengujian dimulai dengan memberikan suhu dengan cara memasukan film BST ke dalam furnace, kemudian furnace diatur dengan suhu kenaikan sebesar 1 oC/menit dengan suhu awal 30 oC hingga film tidak lagi

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, 2010). Resolusi

Perubahan nilai terkecil sebagai nilai masukan yang dapat dibaca oleh sensor disebut sebagai nilai resolusi (A. Ardian et al, 2010). 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, 2010). 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, 2010).

Pengintegrasian film BST sebagai sensor pembaca suhu ruangan berbantukan mikrokontroler ATMega8535

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, 2011). Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10.

Selesai

Data output

film BST

Di kuatkan dengan

rangkaian penguat (op-amp)

Mikrokontroler ATMega8535 Tampilan di LCD Ya Tidak Mulai

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 oC/menit. Pengukuran dilakukan dengan pemberian suhu awal 30 oC 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 masing- masing 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-850 oC (Gambar 14) mempunyai selisih suhu monoton naik dan monoton turun yang kecil dibandingkan film yang lainnya.

Tabel 2. Data rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi film BST sebagai sensor suhu

Film BST U lan gan Rentang* (oC) Sensitivitas* (mV/ oC) Resolusi Sensor* (oC) Tingkat akurasi* (%) Enhancement-800 oC 1 30-74 0,639 1 93,8 2 30-112 0,653 1 95,3 3 30-79 0,642 1 96,3 Depletion-800 oC 1 - - - - 2 30-57 0,224 1 90,4 3 30-95 0,347 1 98,8 Enhancement-850 oC 1 30-115 0,734 1 92,6 2 30-109 0.862 1 92.2 3 30-109 0,814 1 94,4 Depletion-850 oC 1 30-95 0.316 1 99 2 30-95 0,742 1 97,1 3 30-54 0,407 1 91,4 Enhancement-900 oC 1 30-79 0.598 1 94.2 2 30-88 0,347 1 82,2 3 30-85 0,642 1 91,3 Depletion-900 oC 1 30-82 0.490 1 94.5 2 30-73 0,351 1 91,8 3 30-88 0,352 1 85,8

Sumber: *(A. Ardian et al, 2010).

Suhu (oC) 20 40 60 80 100 120 140 T e g a n g a n K e lu a ra n ( m V ) 0 50 100 150 200 250 300 350