Synthesis and Application of Ba0.55Sr0.45TiO3 Film as Light Sensor and Temperature Sensor In Auto Dryer System Model of Agricultural Products Based on Microcontroller ATMega8535

(1)

SINTESA DAN PENERAPAN FILM Ba

0,55

Sr

0,45

TiO

3

SEBAGAI

SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL

SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN

BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535

RIDWAN SISKANDAR

SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

(3)

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Sintesa dan Penerapan Film Ba0,55Sr0,45TiO3 Sebagai Sensor Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem

Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535 adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.

Bogor, 17 Februari 2014

Ridwan Siskandar

(4)

RINGKASAN

RIDWAN SISKANDAR. Sintesa dan Penerapan Film Ba0,55Sr0,45TiO3 Sebagai

Sensor Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535. Dibimbing oleh IRZAMAN dan IRMANSYAH.

Telah dirancang dan direalisasikan suatu model sistem pengering otomatis berukuran 50 cm x 50 cm dengan model atap louvre untuk proses pengeringan produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535. Sistem ini bekerja melalui perintah mikrokontroler yang berasal dari sensor. Sensor yang digunakan adalah film BST yang dibuat dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dengan memvariasikan perlakuan substrat (enhancement (tanpa dipanaskan)dan depletion

(dipanaskan pada suhu 800 oC)) dan suhu pemanasan sebesar 800 oC, 850 oC dan 900 oC selama 15 jam. Selanjutnya film yang diperoleh dikarakterisasi sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Film enhancemant-850 oC (film terbaik hasil karakterisasi) digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor suhu.

Model sistem pengering otomatis ini tersusun dari suatu perangkat keras dan perangkat lunak. Sensor cahaya, sensor suhu, mikrokontroler ATMega8535, motor servo, relay dan dryer adalah bagian dari perangkat keras yang digunakan. Perangkat lunak yang digunakan dibuat menggunakan softwareCode Vision AVR C dengan bahasa C sebagai bahasa pemrograman.

Prinsipnya, saat catu daya dihidupkan, catu daya memberikan tegangan masukan yang dibutuhkan setiap rangkaian elektronika yang digunakan. Sistem ini menggunakan 2 buah film BST yang digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Sensor cahaya BST akan mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang diterima, sedangkan sensor suhu BST digunakan untuk membaca perubahan suhu di dalam ruangan sistem pengering otomatis. Data yang diterima dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST kemudian dikirim ke mikrokontroler. Mikrokontroler akan mengolah data yang terbaca dari kedua sensor BST.

Apabila data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah terang, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk membuka atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk nonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati.

Jika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk menutup atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.

Ketika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, jika data yang terbaca dari sensor suhu BST adalah ≤ 60 oC, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Jika data yang terbaca dari sensor suhu BST > 60 oC, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay

(5)

Kata kunci: Ba0,55Sr0,45TiO3, sensor, operational amplifiers, ATMega8535, liquid

(6)

SUMMARY

RIDWAN SISKANDAR. Synthesis and Application of Ba0.55Sr0.45TiO3 Film as

Light Sensor and Temperature Sensor In Auto Dryer System Model of Agricultural Products Based on Microcontroller ATMega8535. Supervised by IRZAMAN and IRMANSYAH.

An automatic dryer system model has been designed and realized with the dimension 50 cm x 50 cm with louvre roof models for the drying process of agricultural products based on microcontroller ATMega8535. The system worked through a microcontroller commands originating from the sensor. The sensor used is BST films prepared by Chemical Solution Deposition method (CSD) and spin coating at 3000 rpm rotational speed for 30 seconds with varying substrate treatment (enhancement (non-heated) and depletion (heated at 800 °C)) and the temperature of the heating at 800 °C, 850 °C and 900 °C for 15 hours. Furthermore, films that were obtainedthen were characterized as a light sensor and a temperature sensor. Film enhancemant-850 °C (best film characterization) was used as a light sensor and a temperature sensor.

This automatic dryer system model was composed of a hardware and software. Light sensor, temperature sensor, microcontroller ATMega8535, servo motors, relays, and dryer are part of the hardware that was used. The software that was used was made using software Code Vision AVR C language C as the programming language.

In principle, when the power supply was turned on, the power supply provided the required input voltage of each electronic circuit that was used. The system used two pieces of BST films that were used as a light sensor and a temperature sensor. BST light sensor will detect the presence or absence of light received, while the BST temperature sensor was used to read the changes in the room temperature conditioning system automatically. Data received from a light sensor BST and a temperature sensor BST then sent to the microcontroller. The microcontroller will process the data that was read from both BST sensor.

When data read from the BST light sensor is bright, the microcontroller will give the command to each servo motor to open right and left side of the roof. The microcontroller also will give the command to disable the relay driver so that the dryer is off.

If the data read from the BST light sensor is dark, then the microcontroller will give the command to each servo motor to close right and left side of the roof. The microcontroller also will give the command to activate the relay driver so the dryer is on.

(7)

Keyword: Ba0.55Sr0.45TiO3, sensor, operational amplifiers, ATMega8535, liquid

(8)

© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014

Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB

(9)

Penguji pada ujian sidang tesis: Dr. Agus Kartono, M. Si Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains

pada

Program Studi Biofisika

SINTESA DAN PENERAPAN FILM Ba

0,55

Sr

0,45

TiO

3

SEBAGAI

SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL

SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN

BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535

SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR 2014

(10)

(11)

Judul Tesis : Sintesa dan Penerapan Film Ba0,55Sr0,45TiO3 Sebagai Sensor

Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535

Nama : Ridwan Siskandar NIM : G751120021

Disetujui oleh Komisi Pembimbing

Dr. Ir. Irzaman, M. Si Ketua

Dr. Ir. Irmansyah, M. Si Anggota

Diketahui oleh

Ketua Program Studi Biofisika

Dr. Agus Kartono, M. Si

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr. Ir. Dahrul Syah, MScAgr

Tanggal Ujian: 30 Januari 2014

(12)

(13)

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2012 ini ialah sensor ferroelektrik dan aplikasinya, dengan judul Sintesa dan Penerapan Film Ba0,55Sr0,45TiO3 Sebagai Sensor Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem

Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. Irzaman, M. Si dan Bapak Dr. Ir. Irmansyah, M. Si selaku pembimbing. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Tony Sumaryada selaku penguji luar komisi dan Bapak/Ibu Dosen yang telah banyak memberi saran. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, 17 Februari 2014

(14)

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL x

DAFTAR GAMBAR x

DAFTAR LAMPIRAN xi

1 PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Tujuan Penelitian 3

Rumusan Masalah 3

Manfaat Penelitian 4

Ruang Lingkup Penelitian 4

2 SINTESA MATERIAL SEMIKONDUKTOR BERBASIS BAHAN

FERROELEKTRIK FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) 5

Pendahuluan 5

Bahan dan Metode 5

Hasil dan Pembahasan 7

Simpulan 8

3 STUDI KARAKTERISASI BAHAN FERROELEKTRIK FILM

Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA 9

Pendahuluan 9

Bahan dan Metode 9

Simpulan 13

4 SENSOR SUHU BERBASIS BAHAN FERROLELEKTRIK FILM

Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) BERBANTUKAN MIKROKONTROLER

ATMEGA8535 14

Pendahuluan 14

Bahan dan Metode 14

Simpulan 20

5 PENERAPAN FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) SEBAGAI SENSOR

CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS ATMEGA8535

Pendahuluan 21

Bahan dan Metode 21

Simpulan 32

6 PEMBAHASAN UMUM 33

7 SIMPULAN DAN SARAN 34

DAFTAR PUSTAKA 35

(15)

DAFTAR TABEL

1 Data pengukuran sensitivitas film BST sebagai sensor cahaya 13 2 Data rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi film BST

sebagai sensor suhu 18

3 Hasil pengukuran sensor suhu film BST 22

4 Hasil pengujian rangkaian relay 31

5 Data frekuensi sinyal PWM untuk membuka/menutup atap sistem

pengering otomatis 32

6 Data prinsip kerja input dan output pada sistem pengering otomatis 35

DAFTAR GAMBAR

1 Proses annealing 6

2 Model film BST 7

3 Diagram alir pembuatan film BST 7

4 Susunan dioda sambungan p-n 8

5 Kurva arus tegangan film BST (Putra, 2012) 8

6 Skema pengujian sensitivitas film BST: (a) bias maju, (b) bias mundur 10

7 Rangkaian jembatan wheatstone 11

8 Diagram alir karakterisasi film BST sebagai sensor cahaya 11 9 Sensitivitas film BST pada rangkaian bias maju dan bias mundur 12

10 Rangkaian penguat (op-amp) 16

11 Diagram alir pengujian sensor suhu BST 17

12 Histerisis BST enhancement-800 oC 18

13 Histerisis BST depletion-800 oC 19

18 Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 oC 21 19 Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 oC yang

sudah dikuatkan dengan op-amp 21

20 Tampilan suhu yang terukur oleh film BST 22

21 Model tampak depan 23

22 Model tampak belakang 24

23 Model tampak samping 24

24 Model tampak atas 24

25 Model tampak bawah 25

26 Model atap terbuka 25

27 Desain pemasangan motor servo 25

28 Skema power supply 26

29 Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 27

30 Rangkaian driver relay 27

31 Rangkaian LCD 28

(16)

34 Frekuensi sinyal PWM 32 35 Rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis 33

36 Diagram blok sistem 35

DAFTAR LAMPIRAN

1 Histerisis BST enhancement-800 oC ulangan 1 41 2 Histerisis BST enhancement-800 oC ulangan 2 41 3 Histerisis BST enhancement-800 oC ulangan 3 42

4 Histerisis BST depletion-800 oC ulangan 2 43

6 Histerisis BST enhancement-850 oC ulangan 1 44 7 Histerisis BST enhancement-850 oC ulangan 2 45 8 Histerisis BST enhancement-850 oC ulangan 3 46

10 Histerisis BST depletion-850 oC ulangan 2 48 11 Histerisis BST depletion-850 oC ulangan 3 49 12 Histerisis BST enhancement-900 oC ulangan 1 49 13 Histerisis BST enhancement-900 oC ulangan 2 50 14 Histerisis BST enhancement-900 oC ulangan 3 50 15 Histerisis BST depletion-900 oC ulangan 1 51 16 Histerisis BST depletion-900 oC ulangan 2 52 17 Histerisis BST depletion-900 oC ulangan 3 52

18 Flowchart program mikrokontroler 54

19 Model sistem pengering otomatis (a) Tampak depan, (b) Tampak atap

tertutup, (c) Tampak atap terbuka 55

20 Model film BST 56

21 Proses sintesa film BST 57

22 Proses karakterisasi film BST 57

23 Rancang rangkaian elektronik 58

(17)

1 PENDAHULUAN

Latar Belakang

Atap merupakan salah satu konstruksi utama dalam sebuah bangunan. Atap memiliki fungsi penting dalam perencanaan sebuah bangunan. Fungsi utama atap selain sebagai pelindung dari cahaya matahari dan hujan, pada perkembangannya atap juga memiliki nilai estetika yang tinggi. Banyak dijumpai berbagai jenis atap, mulai dari bentuknya hingga bahannya. Semua memiliki berbagai kelebihan dan kekurangan. Bahkan akhir-akhir ini kerangka atap dengan bahan baja sangat menjamur di pasaran. Hal ini membuktikan bahwa semakin pentingnya fungsi suatu atap.

Atap louvre merupakan salah satu atap yang sering ditemukan. Atap jenis ini paling cocok diaplikasikan sebagai atap otomatis karena kemampuannya membuka dan menutup secara cepat dan efesien. Hal ini disebabkan perputaran poros stripnya yang dapat membuka dan menutup hanya dengan 45o putaran motor. Atap louvre dapat memanfaatkan beberapa sensor sebagai pengendali sistem geraknya. Konstruksi dari sistem atap ini tidak memerlukan ruang lingkup yang luas karena atap ini terdiri dari beberapa strip atap yang dapat menjalankan fungsinya sebagai pelindung dari sinar matahari atau membuka agar sinar matahari dapat masuk (Santoso, 2008).

Mengingat matahari adalah sumber panas terbesar, matahari banyak dimanfaatkan manusia untuk melakukan kegiatan pengeringan proses produksi, salah satunya proses produksi hasil pertanian. Kenyataannya, penjemuran proses produksi dilakukan di ruangan terbuka yang langsung terkena sinar matahari secara langsung. Proses ini membutuhkan tenaga untuk memindahkan bahan dari tempat penyimpanan ke tempat penjemuran dan sebaliknya. Hal ini dirasakan kurang efisien jika jumlah bahan proses produksi yang akan dijemur sangat banyak. Belum lagi kendala cuaca yang buruk yang memungkinkan tidak mendukung untuk penjemuran proses produksi.

Selama ini, sebagian besar petani di Indonesia mengeringkan gabah dengan cara menjemurnya di lahan tertentu dengan mengandalkan panas matahari. Cara ini umum dilakukan karena proses pengeringannya sederhana dan biayanya yang dikeluarkan sedikit. Tetapi cara konvensional ini memiliki kelemahan-kelemahan, antara lain: ketergantungan terhadap panas matahari, lamanya proses pengeringan, luas lahan, jumlah pekerja, dan lain-lain (Taib et al, 1988). Akibat pemanasan global ini, tidak dapat lagi dipastikan kapan musim kemarau tiba. Petani tidak bisa mengeringkan padi dengan tenang karena hujan bisa datang kapan saja. Sedangkan jika gabah tidak segera dikeringkan, gabah tersebut akan tumbuh atau membusuk karena aktivitas metabolisme oleh mikroorganisme. Hal ini tentu saja menurunkan kualitas gabah dan merugikan petani. menyebabkan gabah rusak yang pada akhirnya beras yang dihasilkan memiliki kualitas jelek (Daulay, 2005).

(18)

2

Hal di atas melatarbelakangi betapa pentingnya fungsi suatu atap untuk rumah tangga dan penjemuran proses produksi. Abdul Barr melakukan penelitian tentang “Replika Rumah Pintar Dengan Otomatisasi Atap Terhadap Kondisi

Cuaca Berbasis Mikrokontroller AT89S51”. Neronzie Julardi melakukan penelitian tentang “Sistem Pengatur Buka Tutup Atap dan Pemanas Ruangan

Menggunakan Sensor Cahaya LDR dan Sensor Suhu LM35”. Ridwan Anas melakukan penelitian tentang “Rancang Bangun Prototipe Buka Tutup Atap Otomatis Untuk Pengeringan Proses Produksi Berbasiskan Mikrokontroler

AT89S51”. Ketiga penelitian ini menitik beratkan pada otomatisasi buka tutup

atap untuk rumah tangga dan kegiatan penjemuran proses produksi dengan LDR sebagai sensor cahaya dan LM35 sebagai sensor suhu.

Material BaSrTiO3 merupakan salah satu material yang beberapa tahun

terakhir ini gencar dikaji dan dikembangkan. Salah satunya adalah dalam bentuk teknologi ferroelektrik film BST yang digunakan untuk aplikasi sensor cahaya yang kemudian dapat dikembangkan menjadi sel surya (Irzaman 2008).

Seo dan Park (2004) memaparkan, bahwa material ferroelektrik merupakan kelompok material yang dapat terpolarisasi listrik secara internal pada rentang suhu tertentu, yang mana polarisasi terjadi sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur kristalografi di dalam sel satuan. Lebih lanjut menurut Irzaman et al. (2009) menjelaskan bahwa jika pada material ferroelektrik dikenakan medan listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen dipol listrik, sehingga dengan adanya momen dipol ini dapat mengakibatkan terjadinya polarisasi. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik.

Souza et al. (2006) dan Bruzzese et al. (2009) menjelaskan bahwa BST merupakan oskida kompleks yang terdiri dari solid solution barium titanat BaTiO3

(BT) yang merupakan bahan ferroelektrik dengan temperatur Curie-nya 130 oC, strontium titanat SrTiO3 (ST) yang pada temperatur kamar merupakan bahan

paraelektrik. Lebih lanjut dijelaskan bahwa barium titanat (BT) sendiri memiliki struktur ABO3 dengan A menyatakan ion Ba2+ dan B menyatakan ion Ti4+.

Masing-masing ion barium dikelilingi oleh 12 ion oksigen, yang mana ion-ion barium dan oksigen ini membentuk kisi kubus pusat muka (face centered cubic). Sedangkan atom-atom titanium terletak di posisi interisti oktahedral dikelilingi oleh 6 ion oksigen

Pembuatan film BST dapat dilakukan dengan beberapa teknik seperti

Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) yang dijelaskan oleh E. S. Choi et al. (1999), S. Momose et al. (2000), Gao et al. (2000); Chemical Vapor Deposition oleh Auciello et al. (1999); Sol-Gel oleh Verma et al. (2012); N. V. Giridharan et al. (2001), Chen et al. (2011), F. Wang et al. (1998); metode Atomic Layer Deposition (ALD) oleh Tyunina (2008); Metal Organic Decomposition

(MOD) oleh Suherman (2009); Pulsed Laser Ablation Deposition (PLAD) oleh S. Kim et al. (1999) dan Zhu et al. (2005); rf sputtering oleh M. Izuha et al.(1997) dan J.S. Lee et al. (1999); dan Chemical Solution Deposition (CSD) oleh Irzaman

(19)

3 CSD merupakan cara pembuatan film tipis dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian dipreparasi dengan spin coating pada kecepatan putar tertentu (Hamdani et al, 2009).

Mikrokontroler merupakan otak dari sebuah sistem elektronika digital, dimana sistem kerjanya diatur berdasarkan program dalam bahasa pemrograman yang digunakan (A. Ardian et al, 2010). ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR (H . Syafutra, 2010). 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 (A. Ardian et al. (2010), H . Syafutra

et al. (2010), Atmel (2003), Wardhani (2006)).

Penelitian ini bertujuan melakukan pembuatan film Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST)

dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) yang dipanaskaskan pada suhu 800 oC, 850 oC dan 900 oC selama 15 jam, di atas substrat silikon tipe-p dengan dua perlakuan pada substrat yaitu enhancement (dengan kata lain substrat tanpa dipanaskan terlebih dahulu) dan depletion (dengan kata lain substrat dipanaskan terlebih dahulu pada suhu 800 oC selama 15 jam sebelum ditetesi larutan BST); pengkarakterisasian film BST sebagai sensor cahaya dan sensor suhu; dan penerapan fim BST terbaik sebagai sensor cahaya dan sensor suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535.

Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah membuat, mengkarakterisasi, dan menerapkan film BST sebagai sensor cahaya dan sensor suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535.

Rumusan Masalah

1. Apakah persambungan Si tipe-p (anoda) dengan BST (katoda) bersifat dioda?

2. Apakah film BST dapat dimanfaatkan sebagai sensor cahaya? 3. Apakah film BST dapat dimanfaatkan sebagai sensor suhu?

(20)

4

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

(21)

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).

(22)

6

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

(23)

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

(24)

8

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)

(25)

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

(26)

10

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).

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.

(27)

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

(28)

12

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

(29)

(30)

14

Simpulan

(31)

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)).

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).

(32)

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, 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.

(33)

17

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

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

(34)

18

monoton suhu naik ulangan 1 monoton suhu turun ulangan 1 monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan 3

(35)

19

monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan 3

Gambar 13. Histerisis BST depletion-800 oC

Suhu (oC)

Gambar 14. Histerisis BST enhancement-850 oC

Suhu (oC)

(36)

20

Gambar 16. Histerisis BST enhancement-900 oC

Suhu (oC)

Gambar 17. Histerisis BST depletion-900 oC

Hasil karakterisasi secara keseluruhan menunjukkan film terbaik yang bisa digunakan sebagai sensor suhu adalah film BST Enhancement-850 oC. Hal tersebut ditunjukan dengan rentang nilai 30 oC - 109 oC, sensitivitas 0,862 mV/

o

C, resolusi film sebesar 1 oC, tingkat akurasi 92,2% dan histerisis yang kecil. Film inilah yang kemudian diintegrasikan ke mikrokontroler.

Pengintegrasian Sensor Suhu BST Berbantukan Mikrokontroler ATMega8535

(37)

21

y = 1.159x - 11.45 R² = 0.944

Tegangan Keluaran (mV)

0 20 40 60 80 100

S

uh

u

(

oC)

0 20 40 60 80 100 120

Gambar 18. Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 oC Mikrokontroler yang digunakan adalah ATMega8535 yang menggunakan

Analog to Digital Converte (ADC) dengan resolusi 10 bit dengan tegangan referensi 4,8 volt, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan yang masuk sebesar 0,0046875 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 10. 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.

y = 0.052x - 11.45

R² = 0.944

Tegangan Keluaran (mV)

0 500 1000 1500 2000 2500

S

uh

u

(

oC)

0 20 40 60 80 100 120

(38)

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 20. Port yang digunakan untuk LCD pada ATMega8535 adalah PORTD.

Hasil pengukuran film BST sebagai sensor suhu dilakukan di dalam

furnace dengan kondisi suhu 30 oC, 35 oC, 40 oC, 45 oC 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 20. Tampilan suhu yang terukur oleh film BST.

Tabel 3. Hasil pengukuran sensor suhu film BST.

Suhu (oC)

Sensor suhu film

BST (oC)

Perbedaan Suhu

(oC)

30 30,78 0,78

35 34,92 0,08

40 39,87 0,13

45 45,23 0,23

Simpulan

(39)

23 3 PENERAPAN FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS ATMEGA8535

Pendahuluan

Indonesia sebagai negara agraris yang memiliki lahan pertanian yang subur, ironisnya justru mengimpor beras dari negara lain. Salah satu penghambat produksi beras di Indonesia yaitu permasalahan pada proses pengeringan gabah. Selama ini para petani Indonesia hanya mengandalkan panas matahari untuk mengeringkan gabah hasil panennya sehingga pada saat musim hujan mereka mengalami kesulitan dalam proses pengeringannya. Pengeringan menggunakan panas matahari membutuhkan waktu minimal 3 hari untuk mencapai kadar air minimal dalam gabah agar dapat digiling dengan sempurna sehingga jika hari hujan petani tidak dapat mengeringkan gabah mereka dan hal ini dapat menyebabkan gabah rusak yang pada akhirnya beras yang dihasilkan memiliki kualitas jelek (Daulay, 2005).

Kelemahan menjemur dengan memanfaatkan panas matahari adalah ketika malam hari atau cuaca tidak mendukung (mendung, hujan) maka proses pengeringan produk pertanian tidak dapat berlangsung.

Dryer (pengering) digunakan sebagai alat kontrol ketika cuaca tidak mendukung untuk proses pengeringan. Tentunya, dengan adanya dryer proses pengeringan produk pertanian akan terus berjalan sehingga akan mempercepat proses pengeringan produk pertanian.

Pembuatan mekanik sistem pengering

Model dibuat dengan ukuran alas 50 cm x 50 cm dari bahan plastik mika membentuk sebuah rumah. Membuka/menutupnya atap bagian kanan dan kiri digerakan oleh 2 motor servo. Model sistem pengering ditunjukkan pada Gambar 21 sampai Gambar 27.

(40)

24

Gambar 22. Model tampak belakang

Gambar 23. Model tampak samping

(41)

25

Gambar 25. Model tampak bawah

Gambar 26. Model atap terbuka

Gambar 27. Desain pemasangan motor servo

Rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu

Sensor yang digunakan terdiri atas 2 buah film BST yang yang masing-masing dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Jembatan wheatstone

(42)

26

jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp

digunakan IC LM324. Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10. Rangkaian catu daya

Supaya sistem pengering otomatis dapat bekerja maka sistem harus diberi tegangan sumber. Input sumber tegangan sebesar 220 volt diturunkan dengan menggunakan transformator step down. Output AC dari sisi sekunder transformator kemudian disearahkan dengan menggunakan dioda bridge sebagai penyearah gelombang penuh dan mengubah tegangan AC menjadi DC. Dari hasil penyearahan menggunakan dioda bridge masih terdapat tegangan bolak-baliknya (dengan kata lain tegangan riak). Untuk mengurangi tegangan riak hasil dari penyearahan maka digunakan kapasitor yang berfungsi sebagai penapis.

Untuk mendapatkan output 5 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7805 sebagai penyetabil tegangan 5 volt DC. Sedangkan untuk mendapatkan

output 12 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7812 sebagai penyetabil tegangan 12 volt DC. Pada keluaran IC 7805 dipasang transistor 2N3055 yang digunakan untuk memperkuat arus output. Dipasang juga kapasitor sebesar 100µ F/25v sebagai filter tegangan. Gambar rangkaian catu daya ditunjukkan pada Gambar 28.

Gambar 28. Skema power supply

Rangkaian mikrokontroler ATMega8535

Pada rangkaian sistem pengering otomatis, mikrokontroler ATMega8535 mendapat catu daya 5 volt. PORTA pada mikrokontroler digunakan sebagai input

(43)

27

Gambar 29. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535

Rangkaian driver relay

Driver relay digunakan untuk pensaklaran arus AC (mengaktifkan dryer

220 AC). Rangkaian driver relay disusun secara darlington yang terdiri 2 buah transistor bipolar (Anas, 2010). Rangkaian driver relay ditunjukkan pada Gambar 30.

Gambar 30. Rangkaian driver relay

Rangkaian liquid crystal display (LCD)

Rangkaian LCD 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 31 dihubungkan ke PORTB pada mikrokontroler. LCD digunakan untuk menampilkan output

perubahan tegangan baik dari sensor cahaya BST maupun dari sensor suhu BST akibat pemberian rangsangan tertentu pada masing-masing sensor BST. Output

(44)

28

Gambar 31. Rangkaian LCD

Perancangan Perangkat Lunak

Perancangan perangkat lunak mempergunakan bahasa C melalui mikrokontroler sebagai sistem programmable. CPU, memori, dan I/O yang dirangkai dalam satu chip merupakan parameter pendukung dalam perancangan perangkat lunak untuk menjalankan sistem. Software yang digunakan adalah Code Vision AVR untuk pembuatan program. Pembuatan program ini meliputi pembuatan program pada mukrokontroler dengan Code Vision AVR, dan pembuatan coding program dengan menggunakan bahasa C.

Rancangan FilmSebagai Sensor Cahaya BST dan Sensor Suhu BST

Film BSTyang memiliki sensitivitas terbaik digunakan pada model sistem pengering otomatis. Ada dua film yang digunakan sebagai sensor, satu untuk sensor cahaya dan satu untuk sensor suhu (film BST terbaik). Kedua sensor ini digunakan untuk membaca tegangan output dari masing-masing rangsangan yang diberikan. Perubahan tegangan output yang kecil perlu diperkuat oleh rangkaian penguat dengan tujuan dapat dibaca oleh mikrokontroler. Mikrokontroler ATMega8535 menggunakan ADC dengan resolusi 8 bit=255 desimal, dengan tegangan referensi 4,8 V, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan yang masuk sebesar 0,0188 V.

Digunakan dua rangkaian penguat, yaitu rangkaian penguat diferensial

yang merupakan gabungan antara rangkaian penguat noninverting (penguat 1) dan penguat inverting (penguat 2) yang berfungsi untuk membandingkan dua input

yang masuk. Rangkaian penguat diferensial digunakan karena pada tahap awal film dirangkai dengan jembatan wheatstone yang mempunyai dua keluaran. Rangkaian penguat kedua adalah rangkaian penguat noninverting (penguat 3). Pada rangkaian penguat inverting (penguat 2), tegangan referensi diberi tegangan referensi positif, sehingga nilai penguatannya akan bernilai positif.

(45)

29 adalah 11 kali. Sehingga total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Total penguatan sensor sebesar 22 kali memberikan perubahan tegangan output yang kecil menjadi 22 kali lebih besar, sehingga perubahan tegangan output tersebut dapat dibaca oleh mikrokontroler.

Perhitungan besar penguatan pada rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu BST adalah sebagai berikut:

Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah:

V_out

Besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3) adalah:

V_out

Total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Pengujian rangkaian catu daya

(46)

30

Pengujian rangkaian mikrokontroler ATMega8535

Rangkaian pengendali pada prototipe sistem pengering otomatis adalah sebuah mikrokontroler 8 bit ATMega8535. Tegangan output dari rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu adalah sinyal input untuk mikrokontroler.

Mikrokontroler ATMega8535 mempunyai 42 pin. Pengujian mikrokontroler dilakukan langsung pada rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis yang ditunjukan pada Gambar 32. Input untuk mikrokontroler dari sensor cahaya BSTadalah PORTA.0, sedangkan input dari sensor suhu BST adalah PORTA.1. PORTD.0 digunakan sebagai output untuk meng-on/off-kan

driver relay. PORTB digunakan sebagai output untuk LCD. PORTC.6 dan

Gambar 32. Rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis

Pengujian rangkaian driver relay

Relay berfungsi sebagai saklar elektronik. Pada sistem pengering otomatis,

relay digunakan untuk mengaktifkan dan mematikan dryer 220 AC. Dryer 220 AC digunakan saat kondisi atap tertutup, sehingga proses pengeringan tetap berlangsung.

Rangkaian driver relay terdiri dari dua transistor bipolar yang disusun secara darlington (Gambar 30). Fungsi transistor ini adalah mengalirkan arus jika terdapat arus bias pada kaki basisnya. Pada sistem pengering otomatis, relay

dikontrol oleh mikrokontroler ATMega8535.

(47)

31 arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Ketika PORTA.1 mendapat input suhu > 60 oC, maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NO sampai suhu mencapai 30 oC, saat suhu < 30 oC maka PORTD.0 aktif kembali memerintahkan driver relay dalam keadaan NC. Proses tersebut berlangsung secara terus menerus saat kondisi atap tertutup.

Pengujian berfungsi atau tidaknya rangkaian driver relay dilakukan dengan memberikan input tegangan. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian rangkaian driver relay. Saat driver relay belum diberi input tegangan maka relay belum tersinergis. Saat relay diberi input tegangan maka relay akan tersinergis. Tabel 4. Hasil pengujian rangkaian relay

Input Tegangan

(V) Kondisi Output

0 Tidak Tersinergis/off Tegangan AC Tidak Terhubung 4, 96 – 5,00 Tersinergis/on Tegangan AC Terhubung Pengujian rangkaian liquid crystal display (LCD)

Untuk menjalankan sebuah LCD supaya bisa bekerja dengan baik, maka pin LCD dihubungkan dengan PORTB pada mikrokontroller. Pada pengujian LCD dibuat sebuah tampilan suhu yang terukur di dalam ruangan sistem pengering. Pin sensor suhu BST dihubungkan dengan PORTA.1. Suhu yang terukur berasal dari data yang terbaca sensor suhu BST. Output berupa tegangan diolah menjadi data digital pada Analog Digital Converter (ADC) internal ATMega8535. Data digital diolah oleh mikrokontroler. LCD berukuran 16 x 2 akan menampilkan perubahan tegangan dalam satuan derajat Celcius (oC) ketika sensor suhu BST diberikan rangsangan suhu, tentunya dengan tahapan memasukan persamaan linear (hasil karakterisasi monoton naik sensor suhu BST ) ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu terukur ditunjukkan pada Gambar 33.

(48)

32

Pengujian motor servo

Motor servo yang digunakan adalah motor servo standar 180° produk HITEC HS-646MG. Motor servo ini hanya mampu bergerak dua arah dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90°, sehingga total defleksi sudut dari kanan - tengah - kiri adalah 180°.

Pulsa kontrol motor servo dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ±20 ms, dimana lebar pulsa antara 0,5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut maksimum. Jika motor servo diberikan pulsa dengan besar 1,5 ms mencapai gerakan 90°, maka bila berikan pulsa kurang dari 1,5 ms maka posisi mendekati 0° dan bila berikan pulsa lebih dari 1,5 ms maka posisi mendekati 180°.

Pada pengujian motor servo, bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM dengan frekuensi 50,31 Hz yang ditunjukkan pada Gambar 34, dimana pada saat sinyal dengan frekuensi 50,31 tersebut dicapai kondisi ton duty cycle 1,5 ms, maka rotor dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah.

Gambar 34. Frekuensi sinyal PWM

Pengujian motor servo dilakukan langsung pada mekanik atap sistem pengering bagian kanan dan kiri dengan mengubah frekuensi sinyal PWM. Tabel 5 menunjukkan data frekunsi sinyal PWM yang digunakan motor servo untuk membuka/menutup atap.

Tabel 5. Data frekuensi sinyal PWM untuk membuka/menutup atap sistem pengering otomatis.

MotorServo

Frekuensi Sinyal PWM untuk Membuka Atap

(Hz)

Frekuensi Sinyal PWM untuk Menutup

Atap (Hz)

Servo 1 28 68

(49)

33 Dalam pengujian ini, motor servo langsung dikontrol dari mikrokontroler yang terhubung dengan PORTC.6 untuk motor servo 1 dan PORTC.4 untuk motor

servo 2. Motor servo 1 digunakan untuk menggerakan atap bagian kanan, sedangkan motor servo 2 digunakan untuk menggerakan atap bagian kiri.

Pengujian rangkaian keseluruhan sistem

Pengujian secara keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan masing-masing rangkaian menjadi satu sistem yang terpadu. Rangkaian sensor cahaya BST, sensor suhu BST, driver relay, motor servo, LCD, switch, mikrokontroler ATMega8535 digabungkan menjadi satu dalam suatu prototipe sistem pengering sehingga terbentuk suatu sistem pengering otomatis yang berbasiskan mikrokontroler ATMega8535 dengan bahasa C sebagai bahasa pemrograman yang digunakan. Skema rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis ditunjukkan pada Gambar 35.

BST film

Gambar 35. Rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis

Prinsipnya, saat catu daya dihidupkan, catu daya memberikan tegangan

input yang dibutuhkan setiap rangkaian elektronika yang digunakan. Sistem ini menggunakan 2 buah film BST yang digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Sensor cahaya BST akan mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang diterima, sedangkan sensor suhu BST digunakan untuk membaca perubahan suhu di dalam ruangan sistem pengering otomatis. Data yang diterima dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST kemudian dikirim ke mikrokontroler. Mikrokontroler akan mengolah data yang terbaca dari kedua sensor BST.

(50)

34

Jika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk menutup atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.

Ketika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, jika data

yang terbaca dari sensor suhu BST adalah ≤ 60 o

C, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Jika data yang terbaca dari sensor suhu BST > 60 oC, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay

sehingga dryer dalam keadaan mati sampai data yang terbaca oleh sensor suhu BST mencapai 30 oC. Saat data yang terbaca sensor suhu BST < 30 oC maka mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan kembali driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.

Penentuan data dari sensor cahaya BST terbaca terang atau gelap, ditentukan dari nilai komparator yang ditentukan pada program. Jika data intensitas cahaya sensor cahaya BST > intensitas cahaya komparator maka dikatakan terang, dan sebaliknya. Data yang terbaca dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST ditampilkan dalam LCD berukuran 16 x 2.

Switch pada rangkaian sistem pengering otomatis digunakan untuk memasukan intensitas cahaya komparator, memasukan batasan pembacaan suhu untuk sensor suhu BST, pengecekan dryer, pengecekan buka tutup atap yang digerakan oleh motor servo. Dengan kata lain switch berfungsi untuk mengendalikan sistem pengering secara manual.

Simpulan

(51)

35

7 PEMBAHASAN UMUM

Rancangan suatu model sistem pengering otomatis dengan prinsip kerja buka tutup atap berfungsi untuk membantu proses pengeringan produk pertanian dengan memanfaatkan energi panas matahari. Sistem ini menggunakan dua buah sensor (sensor cahaya dan sensor suhu) yang disintesa dari bahan ferroelektrik

film BST. Film BST yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor, dimana Si sebagai tipe-p dan BST sebagai tipe-n. Sensor cahaya berfungsi sebagai saklar yang mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang diterima (fotodioda). Sensor suhu berfungsi untuk membaca perubahan suhu lingkungan di dalam ruangan model sistem pengering.

Data hasil pembacaan kedua sensor diolah oleh pengkondisian sinyal komparator. Komparator mengubah sinyal berupa analog menjadi sinyal dalam bentuk digital. Data hasil konversi komparator kemudian dikirim ke mikrokontroler untuk diproses. Mikrokontroler memberikan perintah kepada motor servo dan driver relay sesuai input yang diterima untuk menjalankan fungsinya masing-masing. Gambaran umum sistem kerja model sistem pengering ditunjukkan pada Gambar 36. Prinsip kerja (input-output) pada sistem pengering otomatis ditunjukkan pada Tabel 6.

Sensor cahaya BST

Sensor suhu BST

Komparator

Mikrokontroller ATMega8535

Driver relay

Motor servo 1 Motor servo 2

Dryer

Gambar 36. Diagram blok sistem

Tabel 6. Data prinsip kerja Input dan output pada sistem pengering otomatis

Input Output

Sensor cahaya BST

Sensor suhu

BST Atap louvre Dryer

Terang Suhu < 30 oC Terbuka Mati

Terang Suhu > 60 oC Terbuka Mati

Terang 30 oC < Suhu < 60 oC Terbuka Mati

Gelap Suhu < 30 oC Tertutup Hidup

Gelap Suhu > 60 oC Tertutup Mati

(52)

36

8 SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Film BST dapat digunakan sebagai sensor cahaya dan suhu karena menunjukkan adanya respon berupa perubahan tegangan ketika diberikan perubahan intensitas cahaya (sebagai sensor cahaya) dan perubahan suhu (sebagai sensor suhu).

Telah berhasil dilakukan penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan suhu pada prototipe sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535.

Saran

1. Hindari pemasangan pasta perak secara berulang-ulang, karena penurunan sensitivitas film BST salah satunya diakibatkan oleh pasta perak yang terlalu sedikit atau pun sebaliknya.

2. Fokuskan pada pembuatan data sheet film BST enhancement-850 oC. 3. Tambahkan sensor hujan dan sensor kelembaban.