ANALISIS SIFAT SENSING SENSOR KELEMBABAN RESISTIF MENGGUNAKAN POLIVINIL ALKOHOL

119

ANALISIS SIFAT SENSING SENSOR KELEMBABAN RESISTIF MENGGUNAKAN POLIVINIL ALKOHOL

Nurlaila dan Yuliastuti

PKSEN-BATAN, Jl. Kuningan Barat, Jakarta Selatan 12710, Indonesia Email: alialrun@batan.go.id

ABSTRAK

ANALISIS SIFAT SENSING SENSOR KELEMBABAN RESISTIF MENGGUNAKAN POLIVINIL ALKOHOL.Indonesia merupakan negara yang beriklim tropis dengan tingkat kelembaban tinggi. Kelembaban tinggi ini dapat mempengaruhi peralatan termasuk peralatan pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Oleh karena itu perlu dilakukan pengontrolan dan pengukuran kelembaban menggunakan sensor kelembaban. Telah dilakukan pembuatan sensor kelembaban menggunakan bahan sensing polivinil alkohol (PVA). Pemilihan PVA sebagai bahan sensing pada sensor kelembaban karena memiliki sifat hidrofilik (mampu menyerap uap air) yang cukup tinggi. Namun demikian PVA menjadi tidak stabil ketika menyerap uap air karena itu perlu dilakukan pengikatan silang. Metodologi yang digunakan pada penulisan makalah adalah melakukan pembuatan dan analisis sensor kelembabanmelalui pengikatan silang secara kimiawi dengan penambahan inisiator ammonium peroksodisulfat (APS) agar terjadi crosslinking pada film PVA. Makalah ini bertujuan untuk mengetahui dan menganalisis sifat sensing sensor kelembaban resistif dengan menggunakan polimer hidrofilik, yaitu PVA menggunakan metode ikatan silang dengan APS. Parameter yang dianalisis dibatasi pada parameter pengaruh frekuensi, tegangan, dan efek penuaan (aging) terhadap sifat sensing. Hasil analisis menyatakan bahwa PVA menunjukkan sensivitas yang baik pada frekuensi 1 kHz dengan tegangan 1 V.

Sedangkan efek penuaan sensor kelembaban resistif menunjukkan adanya ketidak stabilan, hal ini dapat disebabkan oleh perubahan sifat mekaniknya.

Kata kunci: PLTN, Polivil Alkohol, Sensor Kelembanan Resistif

ABSTRACT

SENSING PROPERTIES ANALYSIS OF RESISTIVE HUMIDITY SENSOR WITH POLIVINYL ALCOHOL. Indonesia is a tropical country with high level humidty. This high humidity can affect the human condition and equipment, including Nuclear Power Plant (NPP). Therefore it is necessary to control and measurement humidity using humidity sensor. Humidity sensor have been fabricated using a sensing material polyvinyl alcohol (PVA). The selection of PVA as material sensing for humidity sensor because it has a quite high hydrophilic properties. However, PVA becomes unstable when it absorbs moisture, so that a crosslinking need to be done. Methodology used on the paper are fabricated and analysis of the humidity sensor through chemical crosslinking by addition of ammonium peroxodisulfate (APS) inisiator that crosslinking occurs in PVA film. The purpose of this paper to know and analyse sensing properties of resistive humidity sensor using hydrophilic polymer that PVA with APS crosslinking method. Parameters analyzed in this paper are limited to the influencing paremeters such as frequency, voltage and aging effect on the sensing properties. The analysis result notes that PVA shows best sensitivity on 1 kHz frequency with 1 V voltage. Whereas the aging effect of resistive humidity sensor shows instability that may be caused by changes in mechanical properties.

Keyword: NPP, Polivynil Alcohol, Resistive Humidity Sensor

PENDAHULUAN

Kelembaban merupakan salah satu parameter lingkungan yang cukup penting untuk dilakukan pengukuran. Selain penting bagi kesehatan dan kenyamanan manusia, parameter kelembaban dapat mempengaruhi sifat-sifat beberapa jenis bahan tertentu,khususnya dalam proses industri. Pentingnya kelembaban bagi kehidupan manusia, membuat pengukuran dan pengontrolan kelembaban menjadi sangat penting.

Berdasarkan letak lintangnya, wilayah Indonesia berada di antara 6^o lintang utara (LU) – 11^o lintang selatan (LS). Hal ini menyebabkan Indonesia termasuk ke dalam negara yang beriklim tropis dengan tingkat kelembaban cukup tinggi bisa mencapai sekitar 80%[1].

Bali, 15-16 Oktober 2015

120

Tingkat kelembaban tinggi ini dapat mempengaruhi kondisi peralatan. Pengukuran dan pengontrolan kelembaban pada pembangkit listrik (baik konvensional maupun pembangkit listrik tenaga nuklir/PLTN) merupakan salah satu bagian penting untuk menjaga peralatan pada pembangkit tidak mengalami kerusakan karena adanya kelembaban. Salah satu alat yang dapat mengontrol dan mengukur kelembaban pada suatu pembangkit listrik adalah sensor kelembaban.Selain itu, pengukuran kelembaban juga diperlukan pada tahapan evaluasi tapak PLTN, khususnya aspek meteorologi.

Salah satu penerapan sensor kelembaban pada PLTN adalah untuk mendeteksi kehilangan embun pada alat pengering limbah radioaktif gas[2]. Sensor kelembaban juga telah diterapkan untuk PLTN Eropa, yang digunakan untuk mendeteksi kebocoran uap pada pipa reaktor. Jika kebocoran terjadi pada pipa reaktor, ada kemungkinan kegagalan reaktor dan lepasan radiasi ke lingkungan[3]. Contoh lain penerapan sensor kelembaban pada PLTN adalah yang digunakan oleh reaktor generasi lanjut Korea (Korean Next Generation Reactor) untuk mendeteksi kebocoran pada pipa uap utama (Main Steam Line, MSL)[4].

Sensor kelembaban terdiri dari beberapa komponen, yaitu substrat, material sensitif sensor, elektroda utama, kontak elektroda dan logam elektroda yang berpori berupa film tebal (thick film)[5]. Seiring perkembangan kebutuhan sensor kelembaban, telah dikembangkan pula berbagai jenis material sensor kelembaban, diantaranya yang telah lama dan masih dikembangkan adalah polimer[6]. Penggunaan material polimer sebagai sensor akhir-akhir ini menunjukkan peningkatan[6-8]. Disamping proses preparasi dan fabrikasinya yang tidak membutuhkan temperatur tinggi[6], polimer memberikan harapan terciptanya suatu sensor yang murah. Sensor polimer bekerja dengan cara menyerap dan melepas molekul air (H₂O) pada matriksnya. Keunggulan lain dari sensor polimer adalah tidak memerlukan pemeliharaan secara periodik pada temperatur tinggi, sedikit ketergantungan terhadap temperatur (small temperature dependence), memiliki ketahanan tinggi terhadap temperatur dan kimia.

Beberapa sensor kelembaban telah pula menggunakan material sensitif berbasis polimer[6,8-11], misalnya polivinil alkohol (polyvinil alcohol, PVA) yang bersifat hidrofilik, dan polimetil metakrilat (polymethyl methacrylat, PMMA) hidrofobik, yang di-grafting dengan bahan hidrofilik. Permasalahan yang timbul dari pemanfaatan polimer sebagai sensor kelembaban adalah kestabilannya yang masih rendah. Telah dilakukan percobaan untuk meningkatan kestabilan polimer menggunakan metode graft copolymers sebagai bahan film sensitifnya[12]. Di samping itu juga telah dilakukan penelitian mengenai PVA sebagai material sensitif sensor kelembaban dan percobaan untuk memperbaiki sifat mekanik PVA melalui ikatan silang (crosslinking) dengan menggunakan plasma[8]. Untuk menurunkan resistansinya beberapa elektrolit telah digunakan.

Metodologi yang digunakan pada penulisan makalah adalah melakukan pembuatan dan analisis sensor kelembabanmelalui pengikatan silang secara kimiawi dengan penambahan inisiator ammonium peroksodisulfat (APS) agar terjadi crosslinking pada film PVA. Makalah ini bertujuan untuk membuat dan menganalisis keunggulan sensor kelembaban dengan menggunakan polimer hidrofilik, yaitu PVA menggunakan metode ikatan silang dengan APS. Parameter yang dianalisis dalam makalah ini dibatasi pada parameter pengaruh frekuensi, tegangan, dan efek penuaan (aging) terhadap sifat sensing.

POKOK BAHASAN

Kelembaban merupakan banyaknya kadar air/uap air yang terkandung di udaradan dapat dinyatakan dalam beberapa istilah dan unit, yaitu kelembaban absolut (absolute humidity), kelembaban relatif (relative humidity, RH) dan titik embun (dew point)[6-8,10].

Kelembaban absolut adalah perbandingan massa uap air terhadap volume udara/gas/

massa air, dan dalam volume unit udara lembab dinyatakan dalam gram/m³ [10, 13, 14].

Kelembaban absolut digunakan untuk aplikasi dimana jumlah air dibutuhkan untuk proses khusus, seperti proses makanan dan kimia[15]. Kelembaban relatif merupakan perbandingan kandungan kelembaban udara dengan tingkat kelembaban saturasi pada temperatur dan tekanan yang sama, istilah lainnya adalah perbandingan tekanan uap air udara aktual dengan tekanan uap saturasiatau dapat juga dinyatakan sebagai kelembaban absolut dibagi nilai kelembaban saturasi pada temperatur tersebut[10,12,13]. Kelembaban relatif dinyatakan dalam persen (%), dan pada umumnya digunakan dalam aplikasi peralatan pemanas, ventilasi, pendingin ruangan (heating, ventilationand air conditioning, HVAC). RH merupakan indikator untuk mengetahui kualitas udara dalam ruangan (indoor air quality). RH

121 yang rendah dapat menyebabkan kerapuhan material dan masalah elektrostatik, sementara RH tinggi dapat menyebabkan pemuaian dan penggumpalan (clumping)[15].

Titik embun adalah temperatur dan tekanan dimana gas mulai berkondensasi menjadi cairan[8] atau temperatur yang dicapai pada tekanan parsial air sama dengan tekanan uap saturasi[16]. Titik embun dinyatakan dalam ⁰C atau ⁰F, digunakan untuk mengukur uap air dalam proses industri pada temperatur tinggi, seperti industri pengeringan[15]. Kelembaban saturasi merupakan keseimbangan antara molekul uap yang bergerak dari cairan (liquid) ke udara dengan molekul yang menuju ke cairan dari udara (ketika jumlah uap air 100%)[16].

Jenis Sensor Kelembaban

Berdasarkan teknologi yang digunakan (higrometer elektronik), sensor kelembaban dibedakan atas tiga jenis, yaitu: sensor kelembaban kapasitif, sensor kelembaban resistif, dan sensor kelembaban konduktivitas termal.

a. Sensor kelembaban kapasitif[5,10]

Sensor kelembaban kapasitif menggunakan teknologi pengukuran perubahan kapasitansi dari bahan higroskopik (penyerap air) sebagai perubahan tingkat kelembabannya; secara luas digunakan untuk industri, komersial dan telemetri cuaca.

Prinsip kerja sensor kelembaban kapasitif seperti pelat kapasitor dengan skema yang ditunjukkan pada Gambar 1. Film polimer atau oksida logam dideposisikan pada substrat, diantara dua elektroda konduktif. Secara umum material substrat yang digunakan adalah gelas, keramik atau silikon. Perubahan konstanta dielektrik dari sensor kelembaban kapasitif berbanding lurus dengan kelembaban relatif di sekeliling lingkungannya. Semakin banyak uap air yang diserap, kelembaban relatifnya semakin besar, maka konstanta dielektrik makin besar sehingga kapasitansi yang dihasilkan juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut (Persamaan 1)[5].

  d RH A

C _ 

^RH



⁰

(1) Dimana:

C = kapasitansi sensor pada kelembaban relatif,

εRH = konstanta dielektrik relatif, tergantung pada kelembaban dengan εRH = 3 (pada RH 0%) ... 3,9 (pada RH 100%),

ε0 = konstanta dielektrik vakum, A = luas penampang elektroda, dan d = jarak antar elektroda.

Gambar 1. Skematik Prinsip Kerja Sensor Kelembaban Relatif Kapasitif dengan Film Polimer[5].

Pada umumnya perubahan kapasitansi dari sensor kelembaban kapasitif antara 0,2 – 0,5 pF untuk perubahan RH 1 %, kapasitansi bulk antara 100 – 500 pF pada RH 50%, dan temperatur 25 ⁰C. Sensor ini dikarakterisasi pada koefisien temperatur rendah, mampu berfungsi pada temperatur tinggi (>200 ⁰C), cepat kering kembali dari pengembunan, dan tahan terhadap uap kimia. Beberapa jenis sensor kelembaban kapasitif telah diproduksi secara luas pada berbagai aplikasi, ukuran dan bentuk seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Bali, 15-16 Oktober 2015

122

substrat material

sensing

kawat kontak elektroda

elektroda

Gambar 2. Sensor Kapasitif yang Diproduksi dengan Berbagai Spesifikasi, Ukuran danBentuk dari Berbagai Macam Pabrik[10].

Sensor kelembaban resistif[10]

Sensor kelembaban resistif dengan skema yang ditunjukkan pada Gambar 3 didunakan untuk mengukur perubahan impedansi listrik dari media higroskopik (penyerap air) sebagai perubahan tingkat kelembabannya. Sensor ini terdiri dari elektroda logam yang dideposisikan pada substrat yang dilapisi film dengan material cerdas. Material cerdas berupa material penyerap uap air yang biasa digunakan untuk sensor kelembaban resistif adalah polimer, metal oksida (keramik) acetat, dan klorida. Material tersebut juga dapat digunakan pada sensor kelembaban kapasitif.Penyerapan uap air pada sensor kelembaban resistif menyebabkan kenaikan konduktivitas listriknya, sehingga impedansinya menurun.

Rentang impedansi dari elemen resistif bervariasi antara 1 kΩ - 1 MΩ.

Gambar 3. Skematik Sensor Kelembaban Relatif Resistif Sensor kelembaban konduktivitas termal[10]

Sensor kelembaban konduktivitas termal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 digunakan untuk mengukur kelembaban absolut berdasarkan perbedaan konduktivitas termal antara udara kering dengan udara yang berisi uap air. Sensor ini terdiri dua buah elemen termistor dengan koefisien temperatur negatif (negative temperature coefficient, NTC); satu termistor tertutup dalam ruang kedap udara yang berisi nitrogen kering dan yang lainnya diekspos ke lingkungan. Ketika arus melewati termistor, pemanas tahanan (resistive heating) meningkatkan temperatur sampai lebih dari 200 ⁰C. Panas yang dilepaskan/didisipasi oleh termistor yang tertutup lebih besar daripada termistor yang terbuka. Perbedaan panas ini disebabkan adanya perbedaan konduktivitas termal dari uap air dibandingkan dengan nitrogen kering. Perbedaan disipasi panas dari kedua elemen termistor mengakibatkan perbedaan resistansinya yang sebanding dengan kelembaban absolutnya. Sensor kelembaban absolut biasa digunakan pada peralatan-peralatan seperti alat pengering pakaian, microwave dan steam-injected oven. Aplikasi sensor di industri meliputi tempat pengeringan kayu, barang tenun, industri kertas, dan padat kimia, farmasi, dan pengeringan makanan.

Gambar 4. Sensor Konduktivitas Termal, Menggunakan Dua Buah Termistor Pada Rangkaian Jembatan DC [10].

123 Secara umum, sensor kelembaban absolut menyediakan resolusi yang lebih besar pada temperatur > 200⁰F dibandingkan dengan sensor kelembaban resistif dan kapasitif;

dan memungkinkan digunakannya sensor kelembaban absolut di dalam aplikasi dimana sensor kelembaban kapasitif dan sensor kelembaban resistif tidak dapat digunakan. Tingkat ketelitian sensor kelembaban absolut adalah sekitar +3 g/m³. Nilai ketelitian ini bila dikonversikan ke dalam kelembaban relatif adalah sekitar ± 5% RH pada 40⁰C dan ± 0.5%

RH pada 100⁰C.

Perkembangan yang sangat cepat dalam teknologi semikonduktor, seperti deposisi film tipis, ion sputtering, dan pelapisan film keramik/silikon, menuntut tersedianya sensor kelembaban yang memiliki tingkat akurat yang tinggi dengan ketahanan terhadap kontaminasi físika dan kimia yang tinggi, tetapi cukup ekonomis dari segi harga.

Kenyataannya tidak ada satu sensor yang dapat memenuhi semua kriteria tersebut. Sensor kelembaban relatif, sensor kelembaban kapasitif dan sensor kelembaban konduksi termal masing-masing menggunakanteknologi yang berbeda. Sensor kelembaban relatif memiliki interchangebility, dapat dipakai untuk penempatan yang jauh, dan hemat biaya. Sensor kelembaban kapasitif menyediakan toleransi kondensasi dan rentang RH yang lebar/luas, dan, jika laser di-trimmed sensor ini juga memiliki interchangebility. Sensor kelembaban konduksi termal sangat cocok untuk lingkungan yang korosif dan pada temperatur tinggi.

Pada akhirnya sensor-sensor yang akan digunakan tergantung pada kondisi lingkungan dimana sensor akan diletakkan.

Material Sensor Kelembaban

Berbagai jenis polimer telah diteliti dan dipelajari lebih lanjut. Beberapa polimer yang digunakan sebagai material sensing sensor kelembaban resistif diantaranya[15,16, 18, 19]:

a. Jenis Polielektrolit[15], yaitu polimer dengan monomer ionik. Material jenis ionik memanfaatkan konduktivitas yang bertambah sesuai dengan pertambahan kelembaban[19]. Polielektrolit merupakan polimer yang bersifat elektrolit dan umumnya dapat larut dalam air, sehingga memiliki daya tahan yang kurang baik jika digunakan sebagai sensor kelembaban. Untuk mengatasi hal ini, polielektrolit diikat secara kimiawi pada film yang bersifat tidak menyerap air (hidrofobik) sehingga cangkokan film akan menahan karakteristik sensor sementara film tidak larut dalam air[16]. Contoh material sensing dari jenis polielektrolit adalah sodium sulfonat polistiren ditambah dengan polimer berbasis selulosa (cellulose-based polymer), monomer stiren sulfonat, sulfonat polistiren yang dicangkokkan pada film tetrafluoroetilen (PTFE), dan variasi kopolimer dari monomer ionik dan non ionik.

b. Jenis Dielektrik[15]. Pada jenis ini, molekul air diikat pada tempat yang sesuai dalam jaringan polimerik selama proses penyerapan dan pelepasan air (H2O). Karena konstanta dielektrik dari air dan polimer jenis dielektrik ini sekitar 80 dan 5, molekul-molekul air dalam polimer mempengaruhi konstanta dielektriknya. Sehingga dapat dikatakan bahwa konstanta dilektrik bertambah dengan bertambahnya kandungan molekul air dalam polimer. Contoh material jenis dielektrik sebagai material sensing adalah poliimida (polyimide), PMMA, polietilentereptalat (polye(ethyleneterepthalate), PET), polisulfon (polysulfone, PSF), dan lain-lain.

c. Polimer Hidrofilik[18], merupakan jenis polimer yang dapat menangkap/menyerap uap air. Sifat penting dari material hidrofilik adalah dapat menyerap uap air, tahan air (waterproof), penyerapan air rendah (low water absorption), memiliki kekuatan terhadap benturan (impact) dan fleksibilitas rendah pada temperatur rendah, sifat elastik dan mekanikal baik, stabilitas panas (heat stability), tahan terhadap bahan kimia, dan proses pembuatan mudah. Untuk banyak aplikasi diperlukan polimer yang memiliki penyerapan yang tinggi terhadap uap air tetapi pada waktu yang sama material juga harus tahan air.

Beberapa material hidrofilik komersial yang umum adalah kopolimer yang dibuat dari PEO dan crystallisable polyamide, polyurethane atau polyester; PVA.

Polivinil Alkohol (Polyvinyl Alcohol, PVA)

PVA diproduksi dari monomer vinil asetat dengan skema seperti pada Gambar 5.

PVA telah digunakan secara luas pada berbagai aplikasi[8], antara lain: pelapis kertas (paper coating), pemodifikasian permukaan mengkilap (warpsizing), bahan adesif dan biomaterial, material sensor kelembaban.

Bali, 15-16 Oktober 2015

124

(b)

n

C C

H

C H

H

H H

H

C H

H

H H

H (a) C H

Gambar 5. Struktur Molekul PVA (a) yang Berasal dari Monomer Vinil Asetat (Vinyl Acetat) (b)[20-22].

Secara umum PVA memiliki sifat fisik (mekanik) dengan tampilan sebagai padatan kering dan secara komersial tersedia dalam bentuk butiran atau bubuk[21,22]. PVA juga memiliki bentuk film yang sangat bagus, lembut dan bersifat adesif, kekuatan tariknya bagus, dan lentur[20]. Selain memiliki sifat mekanik PVA juga memiliki sifat listrik, yaitu berupa isolator dengan resistivitas (ρ) yang tinggi: 3,1 – 3,8 x 10⁷cm[22]. PVA digunakan sebagai material sensor kelembaban karena memiliki kemampuan untuk menyerap air (hidrofilik) dan mengeluarkan uap air pada atmosfir udara, struktur jaringan polimer sama seperti struktur mikropori pada metal oksida. Namun demikian impedansi PVA ini terlalu tinggi jika digunakan sebagai sensor[8], sehingga perlu ditambahkan elektrolit pada PVA agar dapat mengurangi impedansi PVA, serta menambah sensitivitas sensor. Jenis elektrolit yang digunakan antara lain: Natrium Khlorida (NaCl), p-styrenesulfonate sodium (PSSD) atau m-benzenedisulfonate disodium (MBSD). Untuk meningkatkan jaringan matriks PVA yang akan digunakan sebagai sensor RH dapat dilakukan pengikatan silang, baik secara mekanik maupun kimiawi. Pengikatan silang secara mekanik menggunakan iradiasi gamma, seperti plasma treatment untuk memperbaiki kestabilan film yang berbasis PVA[8].

Sedangkan pengikatan silang secara kimiawi dilakukan dengan penambahan bahan kimia, misal (NH4)2S2O8 (ammonium perokso disulfat, APS). APS ini akan membentuk membentuk jaringan tiga dimensi dengan PVA seperti ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Ikatan Silang PVA dengan APS.

METODOLOGI

Metodologi yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 7, meliputi desain elektroda, dan pembuatan modul sensor, pembuatan dan pendeposisian film pada modul sensor serta karakterisasi sensor.

Gambar 7. Tahapan dalam penelitian.

Tahapan penelitian dimulai dengan membuat desain elektroda, dilanjutkan dengan membuat modul sensor yang terdiri dari substrat PCB dan elektroda sesuai dengan desain.

Pembuatan modul sensor (Gambar 8) dilakukan oleh suatu industri nasional, dan bersamaan dengan pembuatan moduldibuat pula film larutan PVA yang telah dicampur

Pembuatan modul sensor dengan elektroda Cu-Ag Desain elektroda

Deposisi film pada elektroda dengan metode dip-coating

Pembuatan laritan PVA dan polimerisasi dengan inisiator APS

Karakterisasi sensor

125 dengan larutan NaCl dan polimerisasinya dengan inisiator APS. Pendeposisian film pada modul sensor (elektroda) dilakukan setelah proses pembuatan larutan PVA selesai, yaitu dengan cara pencelupan (dip-coating). Terakhir dilakukan karakterisasi sensor setelah pendeposisian film selesai dilakukan.

Sebelum dikarakterisasi modul sensor kelembaban relatif yang telah diberi film PVA, dikalibrasi terlebih dahulu dengan dengan metode larutan jenuh garam, karena prosesnya sederhana yaitu dengan mendesain chamber kalibrasi yang diberi larutan jenuh garam yang sudah diketahui keadaan kelembabannya[22].

Gambar 8. Modul Sensor Kelembaban Relatif dengan Lima Elektroda Berbentuk Garis.

Gambar 9. Karakterisasi Listrik Film Sensor.

HASIL DAN PEMBAHASAN

PVA sebagai material sensitif terhadap kelembaban, karena dapat menyerap dan melepas uap air. Namun material ini mempunyai kelemahan karena impedansinya terlalu tinggi, sehingga tidak sesuai digunakan sebagai sensor. Masalah ini telah diselesaikan dengan cara melakukan penambahan elektrolit sebagai doping pada PVA, misalnya: natrium klorida (NaCl)[8].

Analisis yang dilakukan pada makalah ini adalah analisis karakteristik sensing yang meliputi: pengaruh frekuensi triger terhadap sifat sensing sensor RH, pengaruh tegangan triger terhadap hasil pengukuran, dan efek penuaan film PVA.

a. Pengaruh FrekuensiTriger terhadap Sifat Sensing Sensor RH

Gambar 10. Pengaruh Frekuensi Terhadap Sifat Sensing RH Pada Tegangan 1 V.

substrat PCB pad

eletroda 0,5 mm

1,5 mm

0,75 mm

0,25 mm film PVA yang mengandung NaCl

Bali, 15-16 Oktober 2015

126

Film berbasis PVA ini mempunyai resistansi yang tinggi sehingga pengukuran dengan triger tegangan dc tidak dapat dilakukan, dengan demikian pengukuran harus dilakukan dengan tegangan ac. Konsekuensi dari metode pengukuran ini sifat sensing film dapat terpengaruh oleh frekuensi triger. Hasil pengamatan pengaruh frekuensi terhadap impedansi film ditampilkan pada Gambar 10.

Hasil ini menunjukkan impedansi film pada kondisi RH rendah sangat dipengaruhi oleh frekuensi. Semakin besar frekuensi triger maka impedansi film semakin kecil. Pada kondisi RH tinggi sebaliknya semakin tinggi frekuensi maka impedansi film menjadi membesar. Analisis menggunakan RCL meter memberikan model rangkaian ekivalen listrik dari film yang terdiri dari komponen R dan C yang tersusun paralel. Pada kondisi RH rendah diperoleh komponen kapasitansi C yang sensitif terhadap perubahan frekuensi, sedangkan komponen resistif R tidak terlalu sensitif berubah. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa pada kondisi ini, dengan kenaikan frekuensi maka komponen reaktansi kapasitif XC

= 1/ωC semakin mengecil dan jauh lebih kecil dari komponen R sehingga arus listrik lebih suka melewati XC dari pada R atau dengan kata lain komponen kapasitif lebih berperan pada kondisi RH yang rendah.

b. Pengaruh Tegangan terhadap Sifat Sensing Sensor RH

Gambar 11. Pengaruh Tegangan terhadap Sifat Sensing RH pada Frekuensi 1kHz.

Pengukuran pengaruh tegangan triger terhadap impedansi film menunjukkan bahwa pada tegangan 1 dan 2 Volt tidak terjadi perubahan impedansi, atau dapat dikatakan bahwa impedansi film tidak dipengaruhi oleh tegangan, seperti terlihat pada Gambar 11. Pada Makalah ini dipilih tegangan 1 Volt untuk pengukuran pada sensor RH karena daya yang digunakan lebih rendah (low power)sehingga akan menghemat biaya produksi.

c. Pengaruh Efek Penuaan (Aging Effect)

Sensor RH dengan film PVA yang mengandung NaCl ini telah diuji selama 60 hari untuk meneliti efek penuaan.Efek penuaan sensor RH dapat dilihat pada Gambar 12 berikut.

Tampak pada gambar bahwa pada kondisi RH yang rendah (32-52%) impedansi tidak mengalami perubahan yang berarti selama waktu tersebut. Sedangkan pada RH yang tinggi mulai 75% impedansi film naik (dua orde) setelah 20 hari kemudian kembali turun lagi setelah 40 hari. Untuk RH yang lebih tinggi (84%), kenaikan impedansi dimulai lebih cepat yaitu setelah penyimpanan sebelum 20 hari, selanjutnya juga impedansi kembali turun setelah 20 hari.

Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut, banyak film polimer telah dilaporkan mengalami perubahan sifat mekanik selama masa penuaan. Tingkat perubahan ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti penambahan plastisizer, jenis plastisizer yang digunakan, kondisi pembentukan film, temperatur penyimpanan film dan kelembaban[23].

Yoshiro Sakai dan kawan-kawan[12] juga telah melakukan penelitian efek penuaan sensor RH dengan meletakkan sensor di dalam air selama periode tertentu, kemudian dikeringkan di udara. Selanjutnya diukur impedansi pada kelembaban yang bervariasi.

Impedansi sensor pada setiap kelembaban setelah dicelupkan ke air diplot terhadap waktu pencelupan (rentang waktu 0-120 menit). Impedansi dari setiap kelembaban naik sebesar 0,7% dari periode pencelupan mula-mula dalam air. Perubahan mungkin disebabkan adanya

127 pemutusan rantai hubung silang ketika dicelupkan ke dalam air. Data ini juga dapat diartikan bahwa sensitivitas sensor turun karena proses penuaan.

Untuk film PVA dengan penambahan NaCl dan pengikatan silang APS, ketidak- stabilan film selama masa penuaan dapat disebabkan oleh perubahan sifat mekaniknya.

Perubahan sifat mekanik ini dapat disebabkan oleh beberapa kemungkinan, yaitu adanya pengaruh temperatur dan kondisi RH ruang penyimpanan sensor, menurunnya kemampuan penyerapan film PVA (film menjadi swelling saat menyerap uap air pada RH tinggi) dan kurang sempurnanya pengikatan silang PVA oleh APS saat preparasi film serta pengaruh dari NaCl yang sedikit. Pada makalah ini tidak dilakukan penelitian terhadap kemungkinan- kemungkinan tersebut, sehingga tidak dapat menyimpulkan kemungkinan mana yang paling dominan terhadap perubahan kestabilan film selama masa penuaan.

Gambar 12. Pengaruh Waktu Pengukuran Terhadap Sifat Sensor.

KESIMPULAN

Film PVA menunjukkan sensitivitas yang baik terhadap kelembaban pada kondisi RH di atas 80%. Peningkatan sensitivitas film dapat dilakukan dengan menambahkan komponen NaCl sehingga film menjadi lebih sensitif terhadap RH pada rentang yang lebih lebar. Penambahan APS menyebabkan peningkatan pembentukan ikatan silang pada PVA dan peningkatan kestabilan strukturnya. Makin tinggi konsentrasi PVA, makin besar sensitivitas film, walaupun mempunyai konsekuensi akan makin sulit untuk dideposisi pada modul sensor akibat viskositas larutan yang semakin besar. Frekuensi operasi sensor untuk menghasilkan sensitivitas yang baik diperoleh sekitar 1 kHz dengan tegangan 1 V. Efek masa penuaan menyebabkan ketidakstabilan film PVA yang dapat diakibatkan oleh perubahan sifat mekaniknya. Perubahan sifat mekanik disebabkan oleh beberapa kemungkinan, yaitu adanya pengaruh temperatur dan kondisi RH ruang penyimpanan sensor, menurunnya kemampuan penyerapan film PVA (film menjadi swelling saat menyerap uap air pada RH tinggi) dan kurang sempurnanya pengikatan silang PVA oleh APS saat preparasi film serta pengaruh dari NaCl yang sedikit.Pengikatan silang secara kimiawi memiliki kelemahan karena dapat meninggalkan residu pada matriks film yang dapat merusak film, namun harganya lebih murah dan mudah didapat daripada penggunaan iradiasi gamma.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepada Dr. Cuk Imawan dan Dr. Yanti Sabarinah S., yang telah membantu dalam penelitian dan Prof. Dr. June Mellawati yang telah membimbing penulis dalam pembuatan makalah.

Bali, 15-16 Oktober 2015

128

DAFTAR PUSTAKA

1. CHUCKY, BUGISKHA, “Letak Wilayah Indonesia”, URL:

https://bugiskha.wordpress.com/2011/11/29/letak-wilayah-indonesia/comment-page-2, (2011).

2. ZAMRONI HUSEN, dkk., ” Limbah Radioaktif yang Ditimbulkan dari Operasional PLTN PWR 1000 MWe”, Prosiding Seminar Pengolahan Limbah Radioaktif hal. 92-100, (2008).

3. SAHA, DEBDULAL et al., ” High Temperature Humidity Sensor for Detection of Leak Through Slits and Cracks in Pressurized Nuclear Power Reactor Pipes”, Sensors &

Transducers Journal, Vol.77, Issue 3, pp.1025-1031, (2007).

4. LEE, NA YOUNG, et al., ” Development of Ceramic Humidity Sensor for the Korean Next Generation Reactor”, Journal of the Korean Nuclear Society, Vol. 30, Number 5, pp. 435- 443, (1998).

5. ______, ”Humidity Sensor Elements”,

URL:http//www.jlcinternational.com/humidity_sensor_elements_info.htm, 27 September 2004.

6. B.M. KULWICKI, “Humidity Sensor”, Journal American Ceramic Society 74 [4], pp. 697- 708 (1991).

7. GOEPEL W. (Editor), “Sensors, a Comprehensive Survey”, Chemical and Biochemical Sensors part II, VCH, Vol. 3, Weinheim, Germany, (1992).

8. YANG, MU-RONG, et al., “Humidity Sensors Using Polyvinil Alcohol Mixed with Electrolytes”, Sensors & Actuators B, 49, pp. 240-247 (1998).

9. STORY P.R., et al., “A Study of Low Cost Sensors for Measuring Low Relative Humidity”, Sensors & Actuators B, 24-25, pp. 681-685, (1998).

10. ROVETI, K. DENES, “Choosing a Humidity Sensor, a Review of Three Technologies”, Ohmic Instruments Co., (2001).

11. WANG HUI, et al., “Comparison of Conductometric Humidity-Sensing Polymer”, Sensors

& Actuatos B, 40, pp. 211-216 (1998).

12. SAKAI Y., et al., “Humidity Sensors Based on Polymer Thin Films", Sensors & Actuators B, 35-36, pp. 85-90, (1996).

13. MORRIS, S. ALAN, ”Principles of Measurement and Instrumentation”, Second edition, Prentice Hall, New York, (1993).

14. SINCLAIR, IAN, ”Sensors and Transducers”, Third edition, Plant a Tree, London, 2001.

15. _______”Chapter 2. Review of Humidity Sensors”. URL:http://www4.gu.edu.au:8080/adt- root/uploads/approved/adt-QGU2004131206/public/03chapter_2.pdf, (2004).

16. GIANCOLI, C. DOUGLAS, ”Physics Principles with Applications”, Fifth edition, Prentice Hall, Inc., New Jersey, (1998).

17. ______, ”Hydrophilic Polymers. Thermoplastic elastomers with polyethylene oxide segments”, 2 hlm. http://pbm.tnw.utwente.nl/dopdrachten/husken.htm, 7 Februari 2006.

18. William, Jack, ”How Humidity is Measured”, 3 hlm.

http://www.usatoday.com/weather/whairhyg.htm, 21 Maret 2006 (2001).

19. ______,”Poly Vinyl Alcohol”. 4 hlm.

http://www.tidco.com/tidcodocs/tn/Opportunities/POLYVINYLALCOHOL.doc, 7 Februari 2006, Tidco, Ltd., (2004).

20. ______, ”Poly Vinyl Alcohol: PVA”, 10 hlm.

http://www.dcchem.co.kr/english/product/p_petr/p_petr8.htm, 7 Februari 2006, DC Chemical Co., Ltd., (2001).

21. C.A. Finch, ”Polyvinyl Alcohol-Development”, Wiley, New York, (1992).

22. _______, ”Calibration of Humidity Sensors”, 1 hlm.

http://www.smartec.nl/pdf/apphs1002.pdf, 21 Juli 2005, (2001).

NURLAILA, ”Preparasi Sensor Kelembaban Relatif (Relative Humidity/RH) dari Film Polivinil Alkohol dengan Metode Celup (Dip-Coating)”, Depok, (2006).

DISKUSI/TANYA JAWAB:

1. PERTANYAAN: Siti Alimah (PKSEN - BATAN)

Mengapa PVA (polivinil alkohol) digunakan sebagai sensor, padahal PVA tidak stabil ketika menyerap air?

129 JAWABAN: Nurlaila (PKSEN - BATAN)

Sensor kelembaban memang membutuhkan material yang bersifat dapat menyerap air 9uap air) dan bersifat isolator. Karena PVA memiliki pseryaratan tersebut dan mudah didapat serta murah maka dipilih sebagai material sensor.