SISTEM PENGUKUR RESISTANSI LAPISAN TIPIS
TER-KOMPUTERISASI DENGAN MENGGUNAKAN PROSESOR
KONVERSI DAC 0808 DAN ADC 0809
Moh. Toifur, Nanang Suwondo
Pusat Studi Fisika Terapan Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta
Sudjatmoko
P3TM BATAN Yogyakarta
Ridwan
P3IB BATAN PUSPIPTEK Serpong Tangerang
Kamsul Abraha
Universitas Gadjah Mada Yogyakarta
ABSTRAK
SISTEM PENGUKUR RESISTANSI LAPISAN TIPIS TERKOMPUTERISASI MENGGUNAKAN PROSESOR KONVERSI DAC 0808 DAN ADC 0809. Telah berhasil dibuat sistem pengukur resistansi lapisan tipis terkomputerisasi model four point probe dengan memanfaatkan DAC 0808 dan ADC 0809. Catu tegangan berjangkau 0-5 volt dan panjang interval 19,6 mV dipasok dari DAC 0808 pada salah satu ujung probe terluar melalui pengendalian komputer. Pembacaan arus diambil dari tahanan R yang dipasang seri dengan lapisan tipis sedangkan beda tegangan (V) pada lapisan tipis diambil dari 2 probe bagian dalam lapisan. Hasil pembacaan ditampilkan dalam bentuk data tegangan pada setiap probe dan grafik V vs t, I vs t dan R vs t dengan t lama pembacaan untuk seluruh jangkau tegangan yang input. Untuk menguji unjuk kerja sistem digunakan lapisan Ni80Fe20 hasil deposisi sputtering dc pada substrat gelas selama 10 menit, jarak elektroda 3 cm, tekanan vakum 1,6 × 10-1 torr, suhu substrat 300°, daya 60 watt. Selanjutnya hasil pengukuran dibandingkan dengan hasil yang diperoleh secara manual. Dari eksperimen menunjukkan bahwa resistansi yang diperoleh komputer 1,91 ± 0,04 Ω sedangkan secara manual 2,00 ± 0,07 Ω. Kesala han relatif pengukuran komputer terhadap manual adalah 4,7%. Keunggulan dari sistem ini adalah kemampuan perangkat lunak (Delphi 5.0) untuk mengumpulkan, mengolah dan menampilkan data hingga 1/1000 detik. Dengan sistem ini maka sifat-sifat permukaan lapisa n tipis dapat dihindarkan dari pengaruh oksidasi.
ABSTRACT
A COMPUTERIZED SYSTEM FOR MEASURING THIN FILM RESISTANCE USING DAC 0808 AND ADC 0809 CONVERSION PROCESSORS. A computerized measurement system for thin film resistance has been prepared based on fou r point probe technique using DAC 0808 and ADC 0809. Various voltages (from 0 to 5 V with increasing voltage of 19,6 mV) from DAC 0808 was supplied to the one of outer ends point controlled by computer. Electrical current reading was carried out through the resistor (R) serially installed to the thin film, meanwhile for the voltage different reading was done from the two inner probes. The output readings were displayed on the computer for the relationship between R vs t, V vs t, I vs t and V vs I (t is duration time for the whole range of the voltage supplied). For testing performance of system it was used thin film deposited on the glass substrate. Thin film was prepared using dc sputtering technique, for 10 minutes, the electrodes distance was adjusted for 3 cm, vacuum operation of 1,6 × 10-1 torr, substrate temperature of 300° and
power of 60 watt. The results obtained from the measurement was compared with the results done manually. The results show that the resistance of the thin film obtained from the computer was of 1.91 ± 0,04 Ω meanwhile from the manual was found to be 2,00 ± 0,07 Ω. The relative error of the computer measurement to the manual is 4,7%. The advantageous of this system is capability of the software (Delphi 5.0) that able to collect, process, and display data up to 1/1000 sec. With this system the properties of thin film surface can be avoided from the oxidation effect.
engukuran resistansi lapisan tipis yang biasa dilakukan adalah dengan metode probe empat titik (four point probe) dengan dua probe terluar
merupakan probe-probe untuk memasok arus
sedangkan dua probe terdalam untuk mengetahui beda potensial antara keduanya. Pengamatan arus serta tegangan secara manual digunakan dua buah multimeter (ampere meter dan volt meter). Untuk harga-harga V dan I yang kecil (orde milivolt) maka ketelitian pembacaan serta jaminan bahwa sistem tidak terganggu dari luar sangat diperlukan karena gangguan sedikit saja akan mengubah nilai resistansi lapisan. Pada pengukuran resistansi secara manual memungkinkan terjadinya beberapa ke-salahan, misalnya kontak antara kabel yang satu dengan yang lain kurang mantap karena seringnya sistem terganggu pada saat penggantian sample pada fasilitas probe 4 titik. Demikian pula akibat dari kecilnya nilai arus maupun tegangan maka ke -kurangcermatan pembacaan nilai V dan I juga berpengaruh terhadap nilai resistansi. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah pada saat karakterisasi resistansi lapisan pada jangkau V penuh jika
dikehendaki pengaturan ∆V kecil maka diperlukan
waktu yang cukup lama. Tampilan grafik dari set data (V, I) berupa titik atau kurva yang menghubungkan titik-ke titik dan bukan berupa kurva yang kontinyu. Demikian pula kegiatan pemrosesan data mulai dari pencatatan, pengolahan dan penampilan data adalah merupakan pekerjaan yang tidak ringan.
DAC 0808-8 bit menyediakan tegangan presisi terprogram dengan jangkau 0 – 5 volt dan panjang interval 19,6 mV. Dengan kondisi ini maka menjadi memungkinkan untuk memasok tegangan yang sangat kecil mulai dari 19,6 mV dan kelipatannya sampai 255 titik langkah. Jika tegangan ini dipasok pada probe terluar lapisan tipis maka arus listrik akan mengalir pada lapisan tipis tersebut sehingga akan dapat diketahui besar arus serta beda potensial antar
probe yang terhubung dengan lapisan.
Sementara itu untuk keperluan pembacaan tegangan sistem, digunakan ADC 0809 yang telah disetel untuk dapat membaca tegangan 0 – 5 volt yang setara dengan 0 - 255 bilangan konversi. Masalah penampilan dapat dilakukan dengan menggunakan layar komputer melalui bahasa pemrograman Delphi 5.0.
BAGIAN-BAGIAN POKOK SISTEM
PENGUKUR RESISTANSI
TERKOM-PUTERKAN
Sistem pengukur resistansi tekomputerkan terdiri dari komputer yang di dalamnya mengan-dung mikroprosessor, antar muka (interface) dan lapisan tipis yang akan diukur resistansinya, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.
1. Mikroprosessor
Fungsi mikroprosesor adalah untuk membe -rikan perintah-perintah pada ADC dan DAC, meng-olah dan menampilkan hasil pengukuran ataupun perhit ungan dalam bentuk angka maupun grafik.
2. Interface ADC 0809 dan DAC 0808
Rangkaian ini terdiri dari 2 bagian pokok yaitu PPI 8255 beserta DAC0808 dan ADC 0809 yang bekerja sesuai dengan urutan langkah pemrograman yang dikehendaki. Untuk memilih salah satu diantara keduanya digunakan address decoder yang akan menterjemahkan kombinasi 10 bit bus address yang terletak pada slot ISA.
a. DAC 0808
Untuk menangani dan memberi masukan DAC 0808 digunakan PPI 8255 memakai salah satu port 8 b i t (port B) PPI 8255. Keluaran DAC berupa arus yang harus diubah menjadi tegangan meng-gunakan
op-amp. Pada bagian op-amp diberikan fasilitas
pengatur offset dan penguatan tegangan (Gambar 2).
Offset berfungsi untuk mengatur batas minimal
tegangan keluaran DAC sedangkan fasilit as penguatan berfungsi untuk memberikan batas mak-simalnya (Anonim, 1999). Keluaran DAC tersebut digunakan untuk memberi catu pada tahanan R yang tersusun seri dengan tahanan lapisan tipis.
-+ LF 351 5 Volt PB0 PB7 DAC 0808 Offset
Gambar 2. Op-amp untuk DAC 0808.
Mikroprosessor
Komputer
Interfacing
Lapisan Tipis
Gambar 1. Keterkaitan antara komputer, antar muka dan lapisan tipis.
Sebagai catatan, sebelum DAC dioperasikan harus dilakukan kalibrasi terlebih dahulu untuk mendapatkan persamaan konversi digital ke analog serta melihat watak linieritasnya.
b. ADC 0809
Pengukuran tegangan pada lima titik (titik 1, 2, 3, 4 dan 5), seperti tampak pada Gambar 3, dilakukan oleh komputer dengan menggunakan ADC 0809
National Semiconductor 8 bit, dengan ketelitian 19,6
mV. Kelima titik tersebut masing -masing dihubungkan dengan input 0, 1, 2, 3 dan 4 ADC (Gambar 3). Karena proses akuisisi hanya dapat dilakukan terhadap satu kanal input tiap kali-nya, maka diperlukan 3 bit pemilih kanal. Dengan konstruksi yang dibangun seperti pada Gambar 3, komputer dapat melakukan pengalamatan
(address-ing) ADC sekaligus memilih kanal mana yang akan
dikonversi. Data hasil konversi ditampung dalam lima variabel (pada program komputer) yang mewakili nilai tegangan pada titik 1, 2, 3, 4 dan 5 untuk kemudian diproses lebih lanjut.
Sebagaimana DAC, ADC yang digunakan harus dikalibrasi terlebih dahulu agar diperoleh persamaan konversi analog ke digital serta watak linearitasnya.
3. Resistansi Lapisan Tipis
Menurut Ohring (1991) pada konstruksi
probe 4 titik (titik 2, 3, 4 dan 5) dengan jarak antara
titik sama, nilai resistansi pada lapisan tipis dapat diperoleh dengan cara membagi beda potensial antara 2 probe bagian dalam (dalam hal ini titik 3 dan 4) dengan arus yang melalui lapisan tipis yang diperoleh dari dua probe terluar (dalam hal ini titik 2 dan 5). Karena sifat ADC hanya dapat mengukur besaran tegangan saja, maka pengukuran arus pada lapisan tipis dilakukan dengan memasang resistor ( R)
seri terhadap tahanan lapisan tipis (Rl). Selanjutnya
den gan mengetahui beda potensial ujung -ujung resistor (titik 1 dan 2) serta nilai resistor R, maka arus yang mengalir dapat dihitung yaitu:
I V
R = 12
(1)
dengan I arus yang mengalir pada resistor, V12
besar tegangan anta ra titik 1 dan 2 dan R resistor. Karena R tersusun seri dengan tahanan lapisan tipis maka arus yang mengalir pada kedua tahanan sama besar. Dengan demikian nilai resistansi lapisan tipis dapat ditentukan sebagai:
R V I l = 34 (2)
dengan Rl resistansi lapisan dan V34 beda potensial
DAC ADC Addres Decoder PPI 8255 8 bit 10 bit 3 bit Pemilih kanal 3 bit Slot ISA 8 bit op-amp R Lapisan Tipis 0808 1 2 3 4 5
Gambar 3. Skema lengkap rangkaian pengukur resistansi lapisan tipis.
KEUNGGULAN SISTEM PENGUKUR
AN RESISTANSI TERKOMPUTER
-KAN
Pada bahasa pemrogram Delphi 5.0 yang digunakan, terdapat fasilitas pengaturan waktu eksekusi (timer). Fasilitas ini dapat dimanfaatkan untuk menentukan waktu eksekusi sampai 1/1000 detik (Antony Pranata, 1986). Pada penelitian ini lama eksekusi dipilih 1/100 detik yang digunakan untuk proses pembacaan meliputi pencatuan tegangan pada lapisan tipis, pembacaan tegangan pada titik 1,2,3,4 dan 5, proses perhitungan nilai resistansi sesuai dengan rumus (2) dan penampilan hasilnya dalam bentuk angka dan grafik. Selain itu dengan mengatur waktu eksekusi yang kecil maka kemungkinan terjadinya ketidakstabilan arus dapat dihindari. Sebagai catatan, untuk bahan magnetik
seperti Ni80Fe20, lama waktu karakterisasi merupa-kan
hal yang sangat penting untuk dipertimbangkan karena lapisan ini sangat mudah teroksidasi oleh oksigen yang berasal dari lingkungan. Karakterisasi lapisan dalam tempo yang cukup lama dapat menjadikan sifat lapisan telah berubah.
HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Uji linearitas DAC 0808 dan ADC 0809
Untuk mengetahui unjuk kerja DAC dalam melakukan konversi dari digital ke analog maka
diinputkan angka 0,1,2,3,…255 (representasi dari kombinasi 8 bit pada port B PPI 8255) dan tegangan keluarannya diamati secara manual dengan multimeter. Dengan mencocokkan (fitting) dat a D terhadap A mengikuti regresi linier diperoleh persamaan:
A = 19,7 D – 0,4 (mV) (3) dengan D adalah masukan angka desimal sebagai representasi kombinasi data digital yang mungkin dan A data hasil konversi dalam bentuk analog.
Demikian pula untuk mengetahui unjuk kerja ADC 0809 dalam melakukan konversi dari data analog ke digital maka dipasoklah tegangan dari 0 s.d. 4830 mV (maksimal 5000 mV) secara manual dan hasil konversinya diamati pada komputer. Dengan mencocokkan (fitting) data A terhadap D maka diperoleh persamaan:
D = 0,05 A – 0,8 (tanpa satuan) (4) dengan A adalah data masukan berbentuk analog dan D data keluaran berbentuk digital.
Dari persamaan (3) dan (4) tampak bahwa kedua prosesor konversi telah menunjukkan watak linearitas yang baik sehingga telah siap untuk dioperasikan dalam mendukung sistem rangkaian ini.
2. Tampilan layar komputer untuk
Pada penelitian ini beberapa variabel masukan yang diperlukan sistem dan perolehan data hasil pengukuran ataupun perhitungan ditampilkan dalam bentuk angka dan grafik. Catu tegangan dari DAC dapat dipilih secara manual atau otomatis, seperti terlihat pada panel “Pengatur Tegangan Probe”. Bila dipilih yang “manual”, nilai tegangan yang dikehendaki diketikkan pada tempat yang disediakan dalam satuan volt. Namun bila dipilih “otomatis” maka batas-batas tegangan yang dikehendaki harus dimasukkan pada kotak-kotak “edit” yang telah disediakan, dalam satuan volt, mulai minimal 0 volt sampai dengan maksimal 5 volt dengan panjang langkah 19,6 mV. Running dilakukan dengan mengklik tombol “mulai”, sedangkan tombol exit digunakan bila akan keluar dari program. Nilai tegangan pada titik 1 sampai dengan titik 5 dari saat ke saat dapat dipant au pada kotak-kotak “edit” dengan label Pr. 1 sampai dengan Pr. 5.
Hasil perhitungan resistansi lapisan tipis, perhitungan tegangan serta perhitungan arus ditampilkan pada tiga grafik pertama masing -masing
R vs t, V v s t dan V v s I dengan t waktu eksekusi.
Pengeplotan data pada semua grafik dilakukan dengan real time dengan selang waktu 10 ms. Hasilnya ditampilkan pada Gambar 4.
3. Uji hasil yang diperoleh secara manual dan
terkomputerisasi
Pada Gambar 4 ditampilkan hasil karakteri-sasi
lapisan Ni80Fe20 yang dihasilkan dari dideposisi
sputtering DC pada kondisi: lama deposisi 10 menit,
jarak elektroda 3 cm, tegangan operasi torr, suhu
substrat 300o, daya 60 watt tanpa medan deposisi.
Pada grafik kedua yaitu V vs t jelas sekali perilaku ADC 0809 dalam menangkap tegangan dari titik 3 dan 4 yaitu tidak dapat halus namun bertangga. Hal ini disebabkan karena kemampuan ADC yang hanya dapat merespon tegangan kelipatan 19,6 mV sehingga untuk tegangan-tegangan yang tidak tepat dengan nilai tersebut akan dibulatkan ke kelipatan 19,6 mV. Akibatnya semua perhitungan yang melibatkan nilai V ini akan tepengaruh keadaan V tersebut, seperti grafik R vs t (dengan R = V/I) dan V vs I.
Untuk menentukan resistansi lapisan di-misalkan nilai resistansi konstan (V sebanding dengan I) sampai pada batas 5 volt. Karena sifat ADC seperti di atas maka perlu melakukan fitting data V terhadap I menurut regresi linier sehingga diperoleh persama an regresi serta nilai resistaninya yang merupakan slope grafik. Hasil fitting V terhadap
I ditampilkan pada Tabel 1 kolom 2 dan plot grafik
dari V dan I ditampilkan pada Gambar 5. Untuk mengecek validitas nilai resistansi yang diperoleh tersebut maka ditentukan pula resistansi yang dicari secara manual dengan variasi tegangan mulai dari 0 – 140 mV. Dari data V dan I juga di-fitting menurut regresi linier dan hasilnya di-tampilkan pada Tabel 1 kolom 3 dan plot grafik dari
V dan I ditampilkan pada Gambar 6.
Dari nilai resistansi yang ditampilkan kedua cara tersebut terdapat selisih sebesar 0,09 ohm atau ralat resistansi yang ditentukan dengan komputer relatif terhadap resistansi manualnya ER = 4,71 %. Harga tersebut merupakan nilai yang cukup kecil sehingga secara umum resistansi yang dihitung melalui komputer dengan manual dapat dianggap sama.
Selanjutnya untuk mempermudah menganali-sis hasil yang diperoleh dari kedua metode maka pada Gambar 7 ditampilkan kedua grafik dari persamaan V sebagai fungsi dari I seperti yang dinyatakan pada Tabel 1.
Tabel 1. Beberapa hasil karakterisasi secara komputer dan manual.
Secara Komputer Manual
Persamaan regresi V = 2,00 I –1,31 V = 1,91 I – 0,01
Resistansi (R) R = (2,00 ( 0,07) ohm R = (1,91 ± 0,04) ohm
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 A r u s ( m A ) Tegangan (mV)
Gambar 5. Plot data V vs I beserta fitting dari data yang diakuisisi oleh komputer.
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 A r u s ( m A ) Tegangan (mV)
Gambar 6. Plot data V vs I beserta fittingnya dari data yang diperoleh secara manual.
0 5 1 0 1 5 2 0 - 5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 A r u s ( m A ) Tegangan (mV)
Gambar 7. Grafik V vs I pada pengukuran resistansi dengan meto-de komputer dan manual. (*): manual, (o): komputer .
KESIMPULAN
1. DAC 0808 dan ADC 0809 sangat tepat digunakan sebagai prosessor konversi untuk mena -ngani permasalahan penentuan nilai resitansi lapisan tipis.
2. Resistansi lapisan Ni80Fe20 yang ditentukan
dengan cara komputer dan manual sama besar sehingga sistem ini dapat digunakan untuk mengkarakterisasi resistansi lapisan tipis.
DAFTAR PUSTAKA
1. ANONIM, ADC 0808/ADC0809 8-bit µp
Compatible A/D Converters with 8-Channel Multiplexer, DAC 0808 8-bit µp Compatible D/A Converters, National Semiconductor Corporation Datasheet (1999).
2. ANTONY PRANATA, Pemrograman Borland
Delphi 4.x, Andi Offset, Yogyakarta (1986).
3. OHRING, M., The Materials Science of Thin Films,
Academic Press, Inc., New York (1992).
TANYA JAWAB
Budi sulistyo− Apa yang diharapkan membandingkan
pengukur-an komputer dengpengukur-an mpengukur-anual?
− Usaha apa yang akan dilakukan setelah
mem-peroleh grafik yang masih jauh dari harapan?
− Kemudahan yang diperoleh dengan pengukuran komputer karena cara kerjanya yang serba otomatis. Terhindar dari kesalahan manusia selama karakterisasi.
− Mengganti DAC 0808 dan ADC 0809 dengan prosesor yang mempunyai resolusi bit yang lebih tinggi misal 12 bit atau 16 bit.
Saminto
− Penggunaan jangka panjang dari alat ini
(pengembanga nnya) bisa untuk apa saja?
− Apa saja yang akan diukur?
M. Thoifur
− Untuk karakterisasi resistansi dan efek GMR pada lapisan tipis ferromagnet utamanya permalloy yang bebas dari pengaruh kesalahan manusia selama pengukuran.
− Yang akan diukur R V vs t (waktu), I vs t, R vs t pada suhu tertentu.
