TINJAUAN PUSTAKA 2.1. UDARA BERSIH
2.10. SENSOR GAS SEMIKONDUKTOR
2.10.1 Prinsip Kerja Sensor Gas Semikonduktor
Sensor Gas Semikonduktor terdiri dari elemen sensor yang dilengkapi bahan pemanas, bahan elemen sensor yang terbuat dari oksida metal (seperti : SnO2, WO3, ZnO,RuO2, dll, sesuai gas yang disensor) dan bahan pemanas yang berfungsi untuk memanaskan elemen. Struktur sensor ini dapat dilihat pada gambar berikut :
10
Prinsip Kerja sensor semikonduktor, ketika bahan detektor seperti kristal SnO2 dipanaskan pada temperatur tertentu, oksigen akan diserap pada permukaan kristal dan oksigen di udara akan terionisasi dan terikat pada SnO2 dalam bentuk ion-ion negatif. Kemudian elektron donor pada permukaan kristal SnO2 akan ditransfer ke oksigen penyerap, sehingga dihasilkan listrik . Didalam sensor, arus listrik mengalir melewati daerah sambungan (grain boundary) dari kristal SnO2. Pada daerah sambungan penyerapan oksigen mencegah muatan untuk bergerak bebas. Jika konsentrasi gas menurun, proses deoksidasi akan terjadi, kerapatan permukaan dan muatan negatif oksigen akan berkurang dan mengakibatkan menurunnya ketinggian penghalang dari daerah sambungan, misalnya terdapat adanya gas CO2 yang terdeteksi. Ilustrasi gambar ketika terjadi penyerapan gas O2
oleh sensor, dapat dilihat pada gambar berikut ini :
Gambar 2.3. Pembentukan tegangan barrier saat tanpa gas pereduksi Persamaan reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut:
½ O2 + ( SnO2x) * O-ad (SnO2x)
CO2 + O-ad (SnO2x) CO2O + ( SnO2x)* * = elektron bebas
Dengan menurunnya penghalang maka resistansi sensor juga akan turut menurun. Skema reaksi antara gas CO2 dan oksigen penyerapan pada permukaan SnO2
11
Gambar 2.4 Penurunan tegangan barrier saat adanya gas pereduksi
Elektron
Daerah Sambungan
eVs didalam gas pereduksi Gas Pereduksi CO2
Untuk mengukur karakteristik sensitivitas dari gas sensing, semua data diuji pada kondisi standar. Hubungan antara tahanan dalam sensor dengan konsentrasi gas pereduksi dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :
Rs = A C -α dengan α = Rs/Ro
Rs = Resistansi Keluaran sensor dari berbagai konsentrasi gas.
R0 = Resistansi sensor dalam udara bersih
A = Konstanta
C = Konsentrasi gas pereduksi
α = Kemiringan dari kurva Rs (rasio resistansi sensor (Rs/R0) 2.10.2 Sensor Kimia
Sensor kimia adalah alat yang mampu menangkap fenomena berupa zat kimia (baik gas maupun cairan) untuk kemudian diubah menjadi sinyal elektrik. Sensor kimia terutama digunakan untuk mengukur konsentrasi senyawa khusus dalam lingkungan gas dan cair, dimana sensor secara khusus merubah informasi kimia ke dalam sinyal listrik. Ada peningkatan permintaan untuk melakukan
12
pengukuran analitik terhadap zat tertentu dengan cepat, halus dan dalam beberapa kasus dilakukan secara terus menerus. Karena sifat-sifat fisika dari gas dan cairan itu berhubungan erat dengan konsentrasi senyawa kimia, sensor untuk penentuan sifat fisika, seperti viskositas dan kerapatan terus mengalami peningkatan.
Sensor kimia diajukan untuk berbagai kondisi lingkungan – terutama dalam pengolahan makanan atau sistem pembuangan dimana konsentrasi berbagai senyawa dinyatakan pada sensor. Masalah penting dalam sensor kimia adalah mendapatkan beberapa tingkat selektivitas yang ideal dan tertinggi. Rata-rata selektivitas ideal, respon terhadap senyawa spesifik dan juga respon nol terhadap senyawa lain.
2.10.2.1 Perkembangan Sensor Kimia
Sensor Kimia eletrolit padat yang bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia, merupakan prinsip sensor yang paling tua yang telah berkembang. Pengembangan yang cukup pesat tentang membran sensor dari elektrolit padat telah terjadi sejak tahun 1930 an. Sensor elektrolit padat adalah sensor yang menggunakan lempengan sel elektrolit yang disekat dengan dua elektroda dan biasanya ditambahkan dengan pengatur temperatur. Sensor komersial jenis ini yang sangat populer adalah sensor oksigen yang menggunakan lempengan Yttria-doped zirconia dan biasanya digunakan pada temperatur tinggi untuk mengontrol aliran zat buang pada suatu mesin. Pengembangan berikutnya juga terus terjadi pada sensor jenis ini yang pada decade belakangan dikenal dengan sebuat NASICON sensor. Dengan usianya yang relatif lebih tua dibandingkan dengam moteode sensor lainnya, elektrolit padat merupakan sensor kimia yang paling banyak diproduksi dalam dunia sensor komersial dibandingkan dengan jenis sensor lainnya.
1. Sensor Kimia Optik, Metode sensor ini adalah dengan berdasarkan pada teknologi optik dimana penyerapan suatu gas atau cairan kimia tertentu pada suatu bahan akan mengakibatkan perubahan pada fenomena optik seperti daya pantul ataupun daya absorpsi suatu cahaya. Meskipun metode ini juga menjanjikan sistem
13
sensor yang akurat, pengembangan yang relatif lebih sulit disamping instrumen yang lebih mahal membuat sensor optik pada kenyataannya tidak terlalu banyak dilirik oleh para peneliti.
2. Sensor kimia model sensitif berat. Sensor tipe ini bekerja dengan berdasarkan bahan sensor yang mampu menghasilkan gelombang akustik sehingga saat suatu zat kimia melewatinya bahan ini mampu mengkonfersi informasi kimia dari zat tersebut menjadi informasi fisik yaitu dalam bentuk berat (meskipun sangat kecil perubahannya).
3. Sensor Kimia Semikonduktor adalah sensor yang berdasarkan metal oksida. Teknologi yang memanfaatkan keunggulan sifat semikonduktor suatu bahan merupakan teknologi yang cukup menjanjikan bagi masa depan mengingat harganya yang murah, bentuknya yang lebih kecil, serta lebih tahan lama. Tidak mengherankan jika dunia sensor masa depan diprekdisikan akan didominasi oleh jenis sensor tipe metal oksida ini. Penelitian tentang pengembangan sensor yang ada saat ini pun banyak dialakukan seputar semikonduktor sensor ini. Teknologi semikonduktor memiliki peran yang siginifikan dalam teknologi sensor mengingat kemampuan konduktifitas dari semikonduktor yang dapat berubah ubah. Sensor jenis semikonduktor ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1953 setelah seorang peneliti Amerika yaitu John Bardeen dan Walter H Brattain menemukan perubahan konduktifitas suatu bahan semikonduktor setelah terjadi penyerapan gas kimia pada bahan semikonduktor tersebut.
Pada perkembangan berikutnya dari sensor semikonduktor ini, sentuhan teknologi nano yang pada kenyataannya mampu menghasilkan bahan semikonduktor yang lebih baik membuat daya tarik lebih besar bagi para peneliti sensor semikonduktor. 2.10.2.2 Sifat Sensor Kimia
14
1. Sensitifitas, yaitu ukuran seberapa sensitif sensor mengenali zat yang dideteksinya. Sensor yang baik akan mampu mendeteksi zat meskipun jumlah zat tersebut sangat sedikit dibandingkan gas disekelilingnya. Sebagai gambaran sebuah riset dengan menggunakan material nano porous terhadap gas O2 sudah mampu mendeteksi gas NO2 hanya dengan jumlah 300 ppb (part per billion), artinya
sejumlah 300 partikel NO2 yang ada dalam 1 milyar partikel udara sudah bisa
membuat sensor ini mendeteksi keberadaannya .
2. Selektifitas, yaitu sejauh mana sensor memiliki kemampuan menyeleksi gas atau cairan yang ingin dideteksinya. Sifat ini tidak kalah penting dengan sensitifitas mengingat gas atau cairan yang dideteksi tentunya akan bercampur dengan zat lain yang ada disekelilingnya.
3. Waktu respon dan waktu recovery, yaitu waktu yang dibutuhkan sensor untuk mengenali zat yang dideteksinya. Semakin cepat waktu respon dan waktu recoveri maka semakin baik sensor tersebut. Beberapa gas berbahaya bahkan dapat sangat cepat bereaksi dengan tubuh manusia yang dapat berakibat sangat fatal seperti gas CO2 atau NO2 yang dalam hitungan dibawah 5 menit dapat mengakibatkan kematian. Karenanya kemampuan mendeteksi gas seperti ini harulah lebih cepat dari kemampuan gas tersebut beraksi dengan tubuh manusia.
4. Stabilitas dan daya tahan, yaitu sejauh mana sensor dapat secara konsisten memberikan besar sensitifitas yang sama untuk suatu gas, serta seberapa lama sensor tersebut dapat terus digunakan. Keempat sifat sensor ini merupakan sifat yang senantiasa diidentifikasi oleh para peneliti untuk mendapatkan sensor yang berkualitas baik.
2.10.2.3Dasar Teoritis Sensor Kimia Struktur Kristal dari semikonduktor tipe-n seperti SnO2 mengandung
elektron berlebihan dan saat sensor kontak dengan di udara, oksigen diserap secara kimia pada permukaan dengan reaksi berikut :
O2 + 2e 2O-ad Berikut gambar pelat tipis sensor gas :
reaksi dipermukaan dengan oksigen, gas oksigen menyerap elektron dari dari SnO2
memiliki kelebihan elektron. Reaksi ini mengarah pada konduktivitas listrik yang diukur sebagai resistensi listrik yang tinggi. Setelah kontak dengan gas , maka reaksi permukaan diperlihatkan dalam persamaan :
Gas + O-ad GasO + e
dalam hal ini, gas menyerap oksigen secara kimia dan teroksidasi. Gas teroksidasi dapat bertindak sebagai zat pereduksi yang dirasakan dengan tipe sensor , melalui reaksi diatas mengarah pada oksidasi dan reduksi yang melibatkan tranfer elektron. Reaksi Gas + O-ad GasO + e, apabila konsentrasi gas meningkat maka “O-ad” yang diadsorbsi semakin banyak. Elektron yang lepas dari permukaan lapisan SnO2 meningkat mengakibatkan peningkatan konduktivitas listrik pada lapisan SnO2 dan pengurangan resistensi listrik. Dalam hal ini, gas dapat dianggap sebagai donor elektron. Karena jumlah elektron yang dimiliki setiap gas tidak sama maka pembacaan sensor kimia secara spesifik untuk setiap gas yang akan disensing dengan konsentrasi tertentu.
SiO2 SnO2 RuO2 Elek. Au Gas Elek. Au Elek. Au Elek. Au
Gambar 2.5. Pelat Tipis
16
2.11. SENSOR TGS 4160