SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN

M a j e l i s G u r u B e s a r

I n s t i t u t T e k n o l o g i B a n d u n g

Pidato Ilmiah Guru Besar

Institut Teknologi Bandung

27 Maret 2010

Majelis Guru Besar

Institut Teknologi Bandung

SENSOR DAN SISTEM SENSOR:

STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN

PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA

DI MASA DEPAN

Majelis Guru Besar Institut Teknologi Bandung

Pidato Ilmiah Guru Besar

Institut Teknologi Bandung

27 Maret 2010

Profesor Mitra Djamal

SENSOR DAN SISTEM SENSOR:

STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN

PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA

DI MASA DEPAN

SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN Disampaikan pada sidang terbuka Majelis Guru Besar ITB, tanggal 27 Maret 2010.

Judul:

SENSOR DAN SISTEM SENSOR: STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN

Disunting oleh Mitra Djamal Hak Cipta ada pada penulis Data katalog dalam terbitan

Bandung: Majelis Guru Besar ITB, 2010 viii+78 h., 17,5 x 25 cm

1. Teknologi 1. Mitra Djamal

ISBN 978-602-8468-11-4

Hak Cipta dilindungi undang-undang.

Dilarang memperbanyak sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apapun, baik secara elektronik maupun mekanik, termasuk memfotokopi, merekam atau dengan menggunakan sistem penyimpanan lainnya, tanpa izin tertulis dari Penulis.

UNDANG-UNDANG NOMOR 19 TAHUN 2002 TENTANG HAK CIPTA

1. Barang siapa dengan sengaja dan tanpa hak mengumumkan atau memperbanyak suatu ciptaan atau memberi izin untuk itu, dipidana dengan pidana penjara paling lama

dan/atau denda paling banyak

2. Barang siapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual kepada umum suatu ciptaan atau barang hasil pelanggaran Hak Cipta atau Hak Terkait sebagaimana dimaksud pada ayat (1), dipidana dengan pidana penjara paling lama

dan/atau denda paling banyak

7 (tujuh) tahun Rp 5.000.000.000,00 (lima miliar rupiah).

5 (lima) tahun Rp 500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).

Mitra Djamal

Dan bahwasanya seorang manusia tiada memperoleh selain apa

yang telah diusahakannya. Dan bahwasanya usahanya itu kelak

akan diperlihatkan (kepadanya). Kemudian akan diberi balasan

kepadanya dengan balasan yang paling sempurna.

---PENGANTAR

Segala puji dan syukur kita persembahkan kepada Allah yang Maha Rahman lagi Maha Rahim, yang telah memberikan ilmu dan hikmah kepada hamba-Nya. Berkat kemudahan-kemudahan yang diberikan-Nya pada penulis, memungkinkan penulis mampu menyelesaikan dan menyampaikan orasi ini sebagai bentuk komitmen dan pertanggung-jawaban akademik penulis yang mendapat amanah jabatan Guru Besar.

Terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Majelis Guru Besar Institut Teknologi Bandung yang telah memberi kesempatan penulis untuk menyampaikan orasi berjudul

Besarnya kompetisi di pasar bebas mengharuskan pengembangan instrumen yang terus menerus, baik dari sisi kualitas, harga maupun keandalannya. Meningkatnya kebutuhan untuk otomatisasi, keamanan dan kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem sensor baru dengan prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Saat ini teknologi sensor telah memasuki bidang aplikasi baru dan pasar yang

semakin meluas seperti otomatif dan rumah cerdas . Pada

waktu yang bersamaan sensor dan sistem sensor juga menempati posisi yang sangat penting untuk penelitian dan pengembangan hampir di semua bidang.

Dalam tulisan ini disajikan beberapa fakta perkembangan teknologi

“Sensor dan Sistem Sensor: State of the Art, Kontribusi dan Perspektif Pengembangannya di Masa Depan”

sensor pada saat ini, yang meliputi struktur sensor, teknologi pembuatan-nya, dan proses pengolahan sinyalnya. Ke tiga komponen ini memegang peranan yang sangat penting bagi perkembangan bidang sensor dan sistem sensor. Beberapa kontribusi utama penulis dalam bidang sensor dan sistem sensor dipaparkan dalam bagian ke dua tulisan ini. Kontribusi itu meliputi pengembangan sensor koil datar dan aplikasinya untuk

mengukur getaran, pengembangan sensor magnetik dan

beberapa aplikasi penerapannya, dan pengembangan material

dan aplikasinya. Perspektif pengembangan sensor dan sistem sensor di masa mendatang dipaparkan pada bagian ke tiga tulisan ini. Beberapa pengamat memprediksi bahwa masa mendatang akan

ditandai oleh era otomatisasi atau robotisasi. Untuk ini diperlukan

banyak sekali sensor yang murah, ringan, berukuran kecil, , dan

dilengkapi dengan sistem komunikasi wireless. Era ini disebut juga sebagai era sensorisasi. Suatu tantangan yang menarik.

Besar harapan kami tulisan ini dapat memberi manfaat pada bidang sensor dan sistem sensor khususnya dan ilmu pengetahuan dan industri umumnya. Wassalam, Bandung, 27 Maret 2010 fluxgate Giant Magnetoresistance full reliably Mitra Djamal PENGANTAR ... iii DAFTAR ISI ... v 1. PENDAHULUAN ... 1

2. STATE OF THE ART TEKNOLOGI SENSOR ... 3

2.1. Struktur Sensor ... 4

2.2. Teknologi Sensor ... 9

2.3. Pengolahan Sinyal ... 9

2.3.1 Pengolahan sinyal sensor secara individu ... 10

2.3.2 Pengolahan sinyal sistem multi sensor ... 12

3. KONTRIBUSI RISET DAN PENGEMBANGAN ... 13

3.1. Sensor Berbasis Koil Datar... 14

3.1.1 Sensor Getaran ... 15

3.1.2 Pemodelan Sensor Getaran ... 18

3.1.3 Tranformasi Fourier ... 21

3.2. Sensor Berbasis Fluxgate ... 28

3.2.1. Prinsip Sensor Fluxgate ... 28

3.2.2. Desain dan Pengembangan Sensor Fluxgate ... 32

3.2.3. Pengembangan Sensor Fluxgate dengan Teknologi PCB ... 34

3.2.4. Aplikasi Sensor Fluxgate ... 35

3.2.4.1. Sebagai Sensor Medan Magnet Lemah DC ... 36

R&D 3% rumah 3% lingkungan 3% otomotif 26% teknologi pengolahan 19% perlengkapan profesional 4% komunikasi & IT 9% medis 10% bangunan 11% lainnya 12%

3.2.4.2. Sebagai Sensor Kuat arus ... 39

3.2.4.3. Sebagai Sensor Muai Panjang ... 40

3.2.4.4. Sebagai Sensor Jarak (proximity sensor) ... 41

3.2.4.5. Sebagai Sensor Getaran ... 42

3.3. Sensor berbasis Material GMR ... 44

3.3.1. Pendahuluan ... 44

3.3.2. Prinsip GMR ... 46

3.3.3. Aplikasi Sensor GMR ... 50

3.3.3.1. Pengukuran Medan Magnetik ... 50

3.3.3.2. Pengukuran Arus ... 51

3.3.3.3. Pengukuran Putaran ... 52

3.3.3.4. Aplikasi GMR untuk Biosensor ... 54

4. PENGEMBANGAN SENSOR DI MASA DEPAN: SUATU PERSPEKTIF ... 55

4.1. Revolusi Industri Tahap ke Tiga ... 55

4.2. Sistem Sensor Smart Terintegrasi ... 58

UCAPAN TERIMA KASIH ... 60

REFERENSI ... 63

CURRICULUM VITAE ... 71

SENSOR DAN SISTEM SENSOR:

STATE OF THE ART, KONTRIBUSI DAN PERSPEKTIF

PENGEMBANGANNYA DI MASA DEPAN

1. PENDAHULUAN

Besarnya kompetisi di pasar bebas mengharuskan pengembangan instrumen yang terus menerus baik dari sisi kualitas, harga maupun keandalannya. Meningkatnya kebutuhan untuk otomatisasi, keamanan dan kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem sensor baru dengan prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Saat ini teknologi sensor telah memasuki bidang aplikasi baru dan pasar yang

semakin meluas seperti otomatif dan rumah cerdas . Pada

waktu yang bersamaan sensor dan sistem sensor juga menempati posisi yang sangat penting untuk penelitian dan pengembangan hampir di semua bidang.

[1]

[2] [3]

(smart home)

Gambar 1:

Ekstrapolasi data kebutuhan sensor tahun 2010[4]

radiasi mekanik termal kimia magnet listrik pengolahan sinyal rasio kinerja terhadap biaya teknologi

Dari data mengenai pasar sensor dunia diketahui bahwa perkem-bangan rata-rata produksi sensor dalam sepuluh tahun terakhir mening-kat 4.5% setiap tahunnya, dengan prediksi komposisi kebutuhan pada tahun 2010 ditunjukkan pada Gambar 1. Terlihat bahwa pasar otomotif menempati segmen terbesar yakni 26% dari pasar dunia, disusul dengan teknologi pengolahan 19%, bangunan 11% dan kesehatan 10%.

Tantangan utama teknologi sensor masa kini adalah mengukur besaran-besaran yang selama ini sulit atau tidak bisa diukur dan meningkatkan nilai informasi sensor dengan menggunakan metoda-metoda pengukuran yang sudah dikenal. Dalam pengembangan sensor dan sistem sensor perlu dipilih prinsip-prinsip pengukuran yang cocok, pengukuran-pengukuran khusus perlu dikembangkan untuk

meningkat-kan kemampuan sensor. Dalam hal ini perlu dikompromikan antara

biaya dan permintaan.

[4]

[5]

[6]

Gambar 2: Performansi sensor sebagai fungsi dari teknologi yang digunakan

dan sistem pengolah sinyalnya .[5]

Peningkatan kemampuan sensor secara umum dapat dicapai dengan melakukan pemilihan yang tepat terhadap teknologi manufaktur, struktur sensor dan pengolah sinyalnya. Penggunaan teknologi baru untuk menghasilkan sensor-sensor tertentu tidak langsung berkaitan dengan peningkatan kemampuan sensor secara menyeluruh. Semakin banyak langkah-langkah teknologi proses yang dilakukan dalam membuat sensor atau sistem sensor maka akan semakin rumit teknik-teknik yang diperlukan untuk mengatasi efek-efek sensor yang tidak diinginkan. Oleh karena itu untuk mendapatkan kemampuan sensor atau sistem sensor yang optimal perlu dipilih kombinasi yang tepat antara teknologi dengan sistem pengolah sinyal yang digunakan seperti dapat dilihat pada Gambar 2.

Secara umum sensor didefinisikan sebagai piranti yang mengubah besaran-besaran fisis (seperti: magnetik, radiasi, mekanik, dan termal) atau kimia menjadi besaran listrik, seperti terlihat pada Gambar 3.

[5]

[7]

2. STATE OF THE ART TEKNOLOGI SENSOR

Gambar 3:

Struktur Sensor Pengolahan Sinyal Teknologi Manufaktur

Kemampuan suatu sensor atau sistem sensor ditentukan oleh interaksi yang kuat dari tiga komponen utama pembentuknya, seperti struktur sensor, teknologi manufaktur dan algoritma pengolah

sinyal-nya. Perkembangan teknologi sensor juga dipengaruhi oleh

perkem-bangan dari ketiga bidang ini (Gambar 4).

[1]

2.1. Struktur Sensor

Bagian inti suatu sistem sensor adalah elemen sensor. Bagian ini mengubah besaran fisika atau kimia yang diukur menjadi sinyal analog elektronik (Gambar 5). Sinyal analog ini oleh unit pra pengolah sinyal diubah menjadi sinyal digital.

Gambar 4: Tiga komponen utama pembentuk teknologi sensor .[1]

Gambar 5: Struktur dasar suatu sistem sensor .[1]

Dengan semakin murahnya piranti pengubah sinyal analog ke digital, sistem pengolah sinyal semakin bergeser dari sistem level tinggi ke level sensor. Adanya fasilitas pengolahan sinyal digital pada sensor berkon-tribusi pada peningkatan kemampuan sensor, misalnya untuk mengatasi variasi keluaran sensor akibat proses fabrikasi yang dapat dilakukan dengan mudah saat konfigurasi sensor. Untuk memudahkan integrasi antara sistem sensor dengan sistem level yang lebih tinggi diperlukan suatu sistem antarmuka yang tepat. Sistem ini dipenuhi oleh bus sensor.

antarmuka

sensor

besaran yang diukur

sin_{yal analo}g

sinyal digital

pra-pengolah sinyal

m

Sensor Posisi

Defleksi

z

Gaya

Inersia

Gaya

Pemulih

F

_a

F

_el

I

pengolahan sinyal pra-pengolah sinyal

sensor

unit tes mandiri dan kalibrasi mandiri informasi tambahan

tentang perilaku sensor besaran yang diukur parameter eksitasi Besaran hasil pengukuran

Gambar 6: Struktur sensor dengan tes mandiri dan kalibrasi mandiri .[1]

Dalam perkembangan belakangan ini, sistem sensor dilengkapi dengan sistem tes mandiri (selft test) dan sistem kalibrasi mandiri

yang terintegrasi dalam proses desain. Desain sensor semacam ini memberikan banyak keuntungan, antara lain peningkatan kehandalan dan mereduksi biaya instalasi dan biaya pemeliharaan. Struktur sensor dengan sistem tes mandiri dan kalibrasi mandiri berbeda dengan struktur sistem sensor standar, karena disini diperlukan informasi tambahan tentang perilaku sensor (Gambar 6). Secara umum, diperlukan informasi khusus tentang perilaku sensor dan batasan kemampuan sensor.

Keadaan sensor dapat dimonitor dengan membandingkan keluaran sensor dengan nilai keluaran yang diprediksi berdasarkan hubungan (self calibration)

[1]

yang telah diketahui sebelumnya. Sebagai contoh sensor percepatan

dengan struktur lingkar tertutup (Gambar 7). Gaya inersia

yang bekerja pada massa dikompensasi oleh gaya pemulih yang dihasilkan secara elektronik. Dalam hal ini, test mandiri dapat dilakukan dengan menggunakan gaya pemulih yang sudah diketahui.

(closed loop)

[6]

Untuk kalibrasi mandiri, keluaran sensor dari masukan yang sudah tertentu digunakan untuk menghitung parameter sensor. Melalui kalibrasi mandiri, pengaruh efek penuaan dapat diperhitungkan, sehingga batas ketelitian pengukuran selama proses pengukuran dapat dijamin. Penempatan test mandiri dan kalibrasi mandiri secara terintegrasi di dalam sistem sensor memungkinkan desain sistem sensor yang bebas kalibrasi. Sebagai contoh pengukuran temperatur bebas

kalibrasi berdasarkan prinsip hubungan p-n yang telah dikembangkan

oleh Kanoun.[8]

Metoda yang dikembangkan [8] mengukur temperatur dengan

menggunakan arus sebagai besaran pengarah . Dengan

cara ini ketergantungan pada sifat-sifat sensor dapat dieliminasi. Keuntungan utama dari metoda ini adalah bahwa karakteristik i-u dari suatu hubungan p-n tidak dipengaruhi oleh variasi manufaktur dan semua parameter dapat diukur secara simultan. Proses perhitungan ini diulang pada setiap proses pengukuran temperatur, sehingga tidak ada parameter yang tidak diketahui yang harus ditentukan sebelum pengukuran. Prinsip pengukuran ini memungkinkan pengukuran

(steering quantity)

Gambar 8: Pengukuran temperatur bebas kalibrasi berdasarkan

prinsip hubungan p-n karakteristik i-u.[8]

temperatur tanpa mengkalibrasi sensor pada temperatur referensi.

Perkembangan yang sangat pesat pada teknologi sensor saat ini dimungkinkan karena adanya teknologi mikro. Teknologi ini menawar-kan biaya produksi yang murah, ukuran yang lebih kecil, konsumsi daya yang lebih rendah, dan kehandalan yang lebih tinggi dibandingkan teknologi yang sebelumnya.

Diantara teknologi-teknologi mikro yang ada,

adalah teknologi mikro yang paling banyak dikembangkan orang. Hal

ini disebabkan karena bahan silisium mempunyai sifat-sifat yang baik, seperti bebas dari kesalahan histeresis dan mempunyai sifat mekanik yang baik.

Adanya fluktuasi beberapa parameter yang terjadi selama proses fabrikasi, menyebabkan terjadinya variasi manufaktur. Faktor-faktor pengaruh seperti temperatur, tekanan, dan kelembaban dapat mempengaruhi karakteristik sensor. Efek penuaan dalam beberapa hal dapat mempengaruhi karakteristik sensor, seperti perubahan sensitivitas atau pergeseran titik nol.

2.2. Teknologi Sensor

2.3. Pengolahan Sinyal

silicon micromachining [9,10]

Elemen Sensor

Faktor -Faktor pengaruh Besaran yang diukur Rangkaian Operasi Perlindungan terhadap kelebihan tegangan Penguatan , Linierisasi, Konversi Sinyal Pengolahan Sinyal Analog A/D-Converter Amplitudo Frekuensi Koreksi terhadap faktor pengaruh , Toleransi Manufaktur , Efek lama penyimpanan Perhitungan dari Nilai Pengukuran Pengolahan Sinyal Digital

Model

Nilai

yang diukur

Antarmuka Sensor

Besaran

yang diukur Sinyal

Sensor Perbedaan Manufaktur Faktor -

faktor

pengaruh Efek Penuaan Pengolahan Sinyal

Gambar 9: Pengolahan sinyal sensor.[1]

Pengolahan sinyal sensor ditujukan untuk mengatasi efek-efek

pengaruh sehingga didapat nilai yang terbaik dari hasil

pengukuran (Gambar 9). Dengan teknik pengolahan sinyal yang sesuai maka karakteristik sistem sensor dan ketelitiannya dapat ditingkatkan secara signifikan.

Sinyal keluaran dari suatu elemen sensor seringkali lemah atau sangat lemah. Untuk mendapatkan keluaran yang baik, sinyal ini perlu diperkuat, proses penguatan ini dilakukan oleh bagian pra pengolah sinyal. Dalam proses pra pengolah sinyal dilakukan beberapa hal, antara lain: pengukuran-pengukuran khusus untuk memastikan proses,

(influence factors)

2.3.1. Pengolahan sinyal sensor secara individu

pemilihan struktur sensor, penguatan sinyal, penyekalaan, linierisasi, dan konversi sinyal (Gambar 10).

Sensor ultrasonik sangat peka terhadap gangguan panas, misalnya akibat turbulensi udara dan akibat pergerakan gorden. Sensor gelombang mikro dapat mendeteksi objek di luar ruang pengamatan dan dapat memberikan informasi yang salah akibat gangguan gelombang elektro-magnetik. Kombinasi dari ke dua detektor ini dan penggunaan pengolah sinyal yang tepat memberikan hasil deteksi yang lebih dipercaya , karena ke dua sensor dipengaruhi oleh gangguan-gangguan yang berbeda.

Sistem multi sensor juga digunakan untuk mengukur konsentrasi gas. Penggunaan satu sensor untuk mengukur konsentrasi gas biasanya tidak cukup untuk mendapatkan hasil pengukuran yang akurat. Penggunaan alat-alat analisa memberikan hasil yang cukup baik, tetapi harganya terlalu mahal, sehingga sulit diterapkan untuk banyak hal. Penggunaan beberapa sensor gas yang harganya relatif murah dalam suatu sistem multi sensor dapat meningkatkan kehandalan dan ketepatan hasil pengukuran yang cukup signifikan.

Sedikitnya ada 3 topik riset utama yang telah dikembangkan dan masih berjalan sampai saat ini, yakni sensor berbasis koil datar, sensor berbasis fluxgate, dan pengembangan material sensor berbasis bahan

(GMR). (reliability)

Giant Magnetoresistance

[12]

3. KONTRIBUSI RISET DAN PENGEMBANGAN

Gambar 11: Pengenalan objek menggunakan sistim multi sensor.[11]

2.3.2. Pengolahan sinyal sistem multi sensor

Secara umum, sistem satu sensor hanya dapat menghasilkan informasi dari suatu keadaan lingkungan, sedangkan sistem multi sensor mengkombinasikan banyak data yang dihasilkan dari banyak sensor yang bekerja dengan prinsip yang sama dan/atau berbeda untuk mengukur besaran yang sama. Tujuan penggunaan sistem multi sensor adalah mendapatkan efek-efek sinergi untuk meningkatkan kualitas dan keberadaan informasi dari keadaan lingkungan yang sama.

Umumnya sistem multi sensor digunakan untuk mendapatkan informasi yang akurat dan handal dari besaran yang diukur, tetapi tidak bisa diperoleh hanya dari satu sensor saja. Sebagai contoh penggunaan

sensor ultrasonik dan sensor gelombang mikro untuk

mendeteksi keberadaan suatu objek, misalnya penyusup (Gambar 11). (microwave) (intruder) [11] objek v Rx Tx TxRx Modul Ultrasonik Modul Gelombang Mikro A/D A/D m(t) v(t) Unit pengolahan Pergeseran Doppler Δl0 Pergeseran Doppler Δl0 Koinsidens frekuensi Gerak/kecepatan v m

3.1. Sensor berbasis koil datar

Gambar 12 menunjukkan sistem sensor koil datar. Prinsip fisis sebuah

sensor koil datar adalah berdasarkan arus eddy. Jika pada koil datar

dialiri arus ac dan di depannya diletakkan suatu bahan konduktor, maka pada bahan konduktor akan terjadi arus eddy. Arus eddy ini akan menghasilkan induksi magnetik. Induktansi total antara koil datar dengan bahan konduktor merupakan fungsi dari jarak antara ke duanya.

Elemen sensor digunakan sebagai bagian dari osilator LC. Frekuensi resonansi osilator adalah fungsi dari jarak. Dengan menggunakan

rangkaian PLL dilakukan perubahan dari frekuensi

resonansi menjadi tegangan. Gambar 13 menunjukkan tegangan keluaran sensor sebagai fungsi jarak.

[13]

[14,15,16]

(Phase Locked Loop)

Gambar 12: Sensor koil datar: (a) elemen koil datar dan

(b) elemen koil datar di depan suatu bahan konduktor.

(a) (b)

Gambar 13: Tegangan keluaran sensor sebagai fungsi jarak.

Dari Gambar 13 dapat diketahui bahwa sensor memiliki kepekaan 2,6 mV/µm.

Salah satu aplikasi dari elemen koil datar adalah sensor getaran. Sistem sensor getaran ini terdiri dari elemen koil datar, massa seismik, pegas dan kerangka (Gambar 14b). Sistem sensor ini telah dipatenkan.

3.1.1. Sensor getaran

[15]

Gambar 14: Sensor getaran yang dikembangkan: (a) prototip sensor

dan (b) diagram blok sensor. objek H D_j dj h koil datar 1 2 3 4 4 3 2 1

pegas massa seismik

bodi

elemen koil datar

(a) (b) 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 Vo (mV) jarak ( m)m

Sensor getaran ini ditempelkan pada objek yang akan diukur getarannya. Getaran suatu objek akan menggetarkan kerangka sensor. Getaran pada kerangka sensor akan menggetarkan massa seismik. Elemen koil datar yang diletakkan di depan massa seismik digunakan untuk mengukur posisi massa seismik setiap saat. Dengan mengetahui posisi massa seismik setiap saat maka dapat ditentukan frekuensi dan amplitudo getaran yang diukur.

Menurut hukum Hooke , jika amplitudo getaran massa seismik

kecil, maka akan linier dengan amplitudo sistem bergetar. Elemen koil datar akan mengukur posisi dari massa seismik secara dinamis. Menurut hukum Nyquist, minimum frekuensi sampling harus dua kali dari frekuensi sistem bergetar . Dengan menggunakan

[17]

[18]

Fast Fourier

Gambar 15: Desain massa seismik dan pegas.

Gambar 16: Sistem getaran harmonik sederhana.

Gambar 16 memperlihatkan sebuah sistem getaran harmonik sederhana. Dari hukum Hooke diperoleh hubungan:

, (1)

dengan masing-masing massa seismik, percepatan massa

seismik, tetapan pegas dan perpindahan pegas. Frekuensi resonansi dari massa seismik adalah:

(2)

Karakteristik dari sistem pegas sensor getaran yang dikembangkan ditunjukkan pada Gambar 17. Untuk sistem sensor, lebih baik jika kepekaan massa seismik memiliki nilai maksimalnya. Dengan memilih

nilai dan yang tepat dari bahan sensor, dapat ditentukan f yang sesuai

dengan frekuensi kerja sensor. Gambar 17 menunjukkan karakteristik dari m, a, k, y k m 0

ky

ma

m

k

π

f

2

1

0

Gambar 15 menunjukkan desain massa seismik dan pegas. Untuk keperluan ini diperlukan bahan dengan kelentingan yang baik. Bahan dengan spesifikasi seperti ini dipenuhi oleh CuBe.

massa seismik m pegas

Transformation(FFT), data posisi diubah menjadi frekuensi.

Hubungan antara massa seismik, tetapan pegas, frekuensi dan amplitudo getaran dapat ditentukan dengan model getaran harmonik sederhana.

k

m

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 percepatan (g) V0 (mV) f = 50 Hz 63 8 10 125 f = Hz f = 0 Hz f = 0 Hz f = Hz

Gambar 17: Karakteristik sistem pegas sensor getaran yang dikembangkan.

3.1.2. Pemodelan Sensor Getaran

Kalibrasi dilakukan untuk menentukan karakteristik dari sensor getaran yang dikembangkan. Sebagai kalibrator, sebuah sistem-kalibrator Bruel & Kjaer Type 4345 digunakan. Gambar 18 menunjukkan tegangan keluaran sensor sebagai fungsi percepatan pada frekuensi yang berbeda-beda. Dari Gambar 18 terlihat adanya hubungan linier antara percepatan dan tegangan keluaran sensor. Melalui pendekatan garis lurus dapat ditentukan model matematis sistem sensor getaran dengan tegangan keluaran sensor sebagai fungsi dari frekuensi dan amplitudo getaran dalam bentuk: a f m f , a V_o (3)

dengan dan masing-masing adalah percepatan, frekuensi, dan

kemiringan kurva. Parameter kemiringan m adalah fungsi dari frekuensi. Dari Gambar 19, dengan menggunakan pendekatan matematika diperoleh hubungan: (4) a, f, m f . f . . f m 006 0 1 33 0 03 15

Gambar 18: Tegangan keluaran sensor sebagai fungsi percepatan

pada frekuensi yang berbeda-beda.

Gambar 19: Model matematika dari sistem sensor getaran yang dikembangkan.

sistem pegas sensor getaran yang dikembangkan pada percepatan 0.2 g. Tegangan keluaran diukur sebagai fungsi dari frekuensi. Frekuensi resonansi sistem pegas dicapai pada frekuensi 155 Hz.

f (Hz) V0 (Vpp) V0 (Vpp) 0 50 100 150 200 30 25 20 15 10 5 0 Model untuk f= 50 Hz 63 8 10 125 Model untuk f= Hz Model untuk f= 0 Hz Model untuk f= 0 Hz Model untuk f= Hz Pengukuran untuk f= 50 Hz 63 8 10 125 Pengukuran untuk f= Hz Pengukuran untuk f= 0 Hz Pengukuran untuk f= 0 Hz Pengukuran untuk f= Hz 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 percepatan (g) V0 (mV)

Dengan memasukkan persamaan (4) ke persamaan (3) diperoleh tegangan keluaran sebagai fungsi dari frekuensi dan amplitudo getaran:

(5)

Berdasarkan model matematis sensor pada persamaan (5) dapat ditentukan kesalahan relatif sensor yang dikembangkan (Gambar 21). Dari Gambar 21 diketahui bahwa kesalahan relatif sensor yang dikembangkan lebih kecil dari 3%. Pada frekuensi 50 Hz terdapat kesalahan yang cukup besar. Kesalahan ini berasal dari jaringan listrik.

Sensor posisi mengukur massa seismik sebagai fungsi dari waktu. Untuk getaran, dua informasi yang diperlukan, yaitu amplitudo dan frekuensi. Kedua informasi dapat diperoleh secara langsung dengan menggunakan transformasi Fourier. Dengan menggunakan transformasi Fourier data posisi diubah menjadi frekuensi. Puncak spektrum transformasi Fourier menunjukkan komponen frekuensi dan amplitudo menunjukkan kuat getaran. Misalnya fungsi posisi massa seismik adalah

dan transformasi Fourier dalam bentuk :

(6)

Menurut hubungan Parseval, dapat dilihat bahwa ada korelasi linear antara amplitudo posisi dan amplitudo transformasi Fourier .

Oleh karena data posisi dari massa seismik dan waktu diambil secara diskrit, maka dibutuhkan transformasi Fourier waktu diskrit atau

(DFT).

3.1.3. Transformasi Fourier

x(t) X( )

Discrete-time Fourier Transform w (7) [18] f . a f . . f , a V_o 006 0 1 33 0 03 15

Gambar 20: Parameter kemiringan m sebagai fungsi frekuensi.

Gambar 21: Kesalahan relatif dari sensor getaran yang dikembangkan.

w w w d e X t x ( ) j t dt e t x X w ( ) jwt 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 pendekatan Data Frekuensi (Hz) nilai m f= 50 Hz 63 8 10 125 f= Hz f= 0 Hz f= 0 Hz f= Hz Percepatan (g) Kesalahan Relatif (%) f= 50 Hz f= 63 Hz f= 80 Hz f= 100 Hz f= 125 Hz f Hz( ) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3

Amplitudo FFT percepatan (g) = 0,7 percepatan (g) = 0,4 percepatan (g) = 0,1 percepatan (g) = 0,1 percepatan (g) = 0,2 percepatan (g) = 0,3 percepatan (g) = 0,4 percepatan (g) = 0,5 percepatan (g) = 0,6 percepatan (g) = 0,7 percepatan (g) = 0,8 percepatan (g) = 0,9 2500 2000 1500 1000 500 0 57 ₅₉ 61 ₆₃ 65 ₆₇ f (Hz) (8) (9)

Sering kali, sinyal-sinyal ini memilki durasi yang cukup panjang. Dalam kasus seperti ini sangat penting menggunakan prosedur komputasi yang efisien. Salah satu teknik yang sangat efisien untuk perhitungan DFT dengan durasi yang terbatas adalah algoritma

(FFT). Algoritma ini digunakan untuk menghitung hasil pengukuran sensor yang dikembangkan.

Gambar 22 menunjukkan data tegangan keluaran sensor sebagai fungsi dari waktu dengan sumber frekuensi 130 Hz dan sampling frekuensi 28 kHz. Fast Fourier Transform 2 2 1 _{X ( )e d} n x j n n n j d e n x X [ ]

Gambar 22: Data tegangan keluaran sensor yang dikembangkan sebagai fungsi

dari waktu dengan frekuensi sumber 130Hz dan frekuensi sampling 28kHz

Transformasi Fourier (FFT) dari data pada Gambar 22 ditunjukkan pada Gambar 23.

Gambar 23 menunjukkan korelasi yang baik antara frekuensi puncak spektrum FFT dengan frekuensi sumber (130Hz).

Gambar 24 menunjukkan spektrum FFT, dengan amplitudo FFT seba-gai fungsi dari frekuensi dan percepatan pada frekuensi sumber 62 Hz.

Gambar 23: Spektrum Transformasi Fourier dari data Gambar 22.

Gambar 24: Spektrum FFT, dengan amplitudo FFT sebagai fungsi

dari frekuensi dan percepatan pada frekuensi sumber 62Hz. Waktu (ms) T egangan Keluaran (V) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 7,7 15,4 23,07 30,7 38,5 Amplitudo FFT f (Hz) f =130 Hzp 150 300 450 1000 800 600 400 200 0

Dari Gambar 24 terlihat bahwa puncak amplitudo FFT terletak di frekuensi getaran sistem (62Hz) dan amplitudo FFT adalah linear terhadap percepatan yang diberikan (Gambar 25).

Gambar 27 menunjukkan amplitudo FFT sebagai fungsi dari frekuensi pada percepatan yang berbeda-beda.

Gambar 27 memperlihatkan bahwa peningkatan percepatan menyebabkan peningkatan intensitas FFT dengan amplifikasi yang berbeda dengan frekuensi yang berbeda, tetapi dengan kecenderungan yang sama. Intensitas FFT minimum dihasilkan pada daerah sekitar frekuensi 40 Hz. Frekuensi ini sesuai dengan frekuensi sumber penggetar yang diberikan. Menurut [6] karakteristik sensor ini dapat didekati dengan polinom berdasarkan metode fungsi dasar. Dengan metode ini

amplitudo sebagai fungsi dari frekuensi dan percepatan dapat

ditulis dalam bentuk:

(10)

FFT A f a

Selanjutnya akan ditentukan model sensor dari spektrum FFT. Gambar 26 menunjukkan amplitudo spektrum FFT sebagai fungsi percepatan dan frekuensi.

Gambar 25: Hubungan antara amplitudo dan percepatan FFT. Gambar 27: Amplitudo spektrum FFT sebagai fungsi frekuensi pada

percepatan yang berbeda-beda.

Gambar 26:

Amplitudo spektrum FFT sebagai fungsi dari frekuensi

dan percepatan. f a w f a v a u f , a A 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0.2 0.4 0.6 Data f = 39,5 Hz Model Percepatan (g) Amplitudo 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Amplitudo FFT 0.5 Frekuensi (Hz) Percepatan (g) 25 40 50 63 80 0.4 0.3 0.2 0.1 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 a = 0.5g a = 0.4g a = 0.3g a = 0.2g a = 0.1g Frekuensi (Hz) Amplitudo FFT

dengan dan adalah parameter yang merupakan fungsi dari percepatan . Menggunakan data dalam Gambar 27, parameter dari

dan dapat ditentukan :

(11)

seperti dapat dilihat pada Gambar 28 (a), (b) dan (c). u(a), v(a) w(a)

a u(a), v(a) w(a)

(12) (13) 2 5 20009 95 12581 99 492. . a . a a u a . . a v 12 25 129 75 2 5 408671 31 352637 77 8185_{. . a . a} a w ( a ) ( b ) ( c )

Gambar 28: Parameteru, v,danwsebagai fungsi dari percepatan .a

Dengan menggunakan model sensor yang ditunjukkan pada persamaan (10) diperoleh kesalahan relatif sensor kurang dari 6% (Gambar 32).

Gambar 29: Kesalahan relatif model sensor menggunakan spektrum FFT.

100 50 0 V(a) V(a) = 12.25 + 129.57*a 0.2 0.4 0.6 a 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 100000 80000 60000 40000 20000 0

w(a)

a

w(a) = 8185.77 + 352637.31*a - 408671.5*a*a

0

-1000

-2000

-3000

u(a)

u(a) = -492.99+12581*a+20091.5 *a*a

a

0.2 0.4 0.6 Percepatan (g) Frekuensi (Hz) Kesalahan R elatif (%) 6 4 2 0 -2 -4 -6 25 40 63 80 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

3.2. Sensor berbasis fluxgate 3.2.1. Prinsip Sensor Fluxgate

Sensor adalah sensor magnetik yang bekerja berdasar

perubahan flux magnetik disekitar elemen sensor . Elemen sensor

terdiri dari kumparan primer , kumparan sekunder

dan inti ferromagnetik , seperti ditunjukkan gambar

(30a). Berdasarkan arah medan eskitasi yang dihasilkan oleh kumparan eksitasi, maka elemen sensor fluxgate terdiri dari dua, yaitu: sensor fluxgate orthogonal: arah medan eksitasi tegak lurus arah medan eksternal yang di ukur, sedangkan parallel sensor fluxgate : arah medan medan eksitasi sejajar dengan medan eksternal yang diukur, seperti ditunjukkan Gambar (30b) dan (30c).

fluxgate

fluxgate (excitation coil)

(pick-up coil) (core)

[19]

Pada metoda pengukuran kuat medan magnet didasarkan

pada hubungan antara kuat medan magnet yang diberikan dengan

fluks medan magnet induksi . Jika yang dihasilkan berasal dari

masukan berupa gelombang pulsa bolak-balik, maka dalam keadaan

saturasi pada keluaran akan timbul gelombang harmonik genap,

gelombang harmonik ke dua, yang besarnya sebanding dengan medan magnet luar yang mempengaruhi inti dan arahnya sebanding dengan arah medan magnet luar. Prinsip pengukuran ini dapat ditunjukkan gambar 31. fluxgate, H B B H B

Gambar 30: Konfigurasi dasar kumparan elemen sensor fluxgate.[20]

Gambar 31: Prinsip kerja sensorfluxgate.[21]

Prinsip kerja sensor ketika mengukur perubahan medan

magnet luar ditunjukkan pada Gambar 31. Prinsip kerja sensor magnetik fluxgate

(a). Konfigurasi dasar elemen sensor fluxgate (b). Konfigurasi paralel elemen sensor fluxgate (c). Konfigurasi ortogonal elemen sensor fluxgate

(a) (b) (c) Inti ferromagnetik Kumparan eksitasi Kumparan pick-up Kumparan pick-up Kumparan eksitasi Inti ferromagnetik Inti ferromagnetik Kumparan pick-up Kumparan eksitasi Arus eksitasi Hext H_exc Vout + -Arus eksitasi Vout + -Hexc Hext

H

exc

H

exc

t

_t

H

ext

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

_(h)

t

t

t

t

t

_t

d

F

dt

d

_dt

F

V

out

V

out

B

ext

= 0

B

ext

¹ 0

penting karena menentukan sensitivitas dan akurasi dari sensor . Disamping itu inti harus bersifat robus terhadap pengaruh luar seperti vibrasi akustik dan deformasi mekanik. Bahan yang memenuhi persyaratan tersebut Vitrovac dan METGLASS. Vitrovac atau kaca logam Co Fe Si B 6025 mempunyai permeabilitas relatif yang tinggi, yaitu sekitar 100000. Penggunaan pita Vitrovac memungkinkan desain sensor dengan ukuran yang cukup kecil dan robus.

Untuk mengevaluasi tegangan keluaran sensor digunakan

fungsi transfer. Fungsi transfer suatu sensor magnetik

menggambarkan hubungan antara tegangan keluaran Vo dengan medan magnet yang diukur. Fungsi transfer dapat dihitung menggunakan pendekatan polinomial kemudian mencari komponen frekuensi yang ada di dalam kerapatan fluks magnetik inti sensor. Penggunaan pendekatan polinomial teknik harmonisa kedua akan memudahkan untuk

menyeder-hanakan fungsi transfer ke dalam komponen frekuensi . Perubahan flux

magnetik yang berasal dari kumparan eksitasi ditangkap oleh kumparan pick-up dalam bentuk tegangan listrik. Komponen tegangan keluaran

harmonisa kedua dari kumparan pick-up adalah:

(14)

Dengan adalah amplitude medan exksitasi, jumlah lilitan

pick-up, luas penampang inti, kecepatan sudut, h medan eksternal dan

h adalah medan referensi dari eksitasi, Dari persamaan (14) terlihat

bahwa tegangan keluaran harmonisa ke dua adalah berbanding lurus

[23] [24] 66.5 3.5 12 18 ext refmax fluxgate fluxgate V B N A out2h o w t h h a NA B

Vout h 3 w ext ref sin 2w

2 max 3 0 2 fluxgate B 0; B =0; B 0 B =0 B 0 B =0 B 0

. (a) Medan eksitasi tanpa medan magnet luar B =0; (b) Medan

eksitasi dengan medan magnet luar (c) kurva magnetisasi dalam

keadaan saturasi pada (d) kurva magnetisasi dalam keadaan

saturasi pada ; (e) perubahan fluks terhadap waktu pada ; (f)

perubahan fluks terhadap waktu pada ; g) tegangan keluaran sensor

pada ; (h) tegangan keluaran sensor pada .

Tegangan keluaran V dari elemen sensor diolah dengan

menggu-nakan rangkaian pengolah sinyal. Pengolah sinyal sensor terdiri dari beberapa bagian, yaitu diffrensiator, detektor, sinkronisasi fasa, integtrator, dan penguat akhir. Secara skematik terlihat pada Gambar 32:

ext ext ext ext ext ext ext ext ¹ ¹ ¹ ¹ out

Karakteristik tegangan keluaran sensor dipengaruhi oleh

banyak faktor antara lain: jumlah lilitan eksitasi dan , dimensi

geometri elemen sensor, sifat dan jenis material inti ferromagnetik, jumlah

lapisan inti frekuensi dan arus eksitasi . Pemilihan bahan inti sangat

fluxgate

pick-up

[20,21,22]

Generator Sensor Pengolah sinyal Penyearah Displai

Dua kali frekuensi (2fo) osilator

Buffer

dengan kuat medan yang diukur.

Untuk meningkatkan efektifitas dan efisiensi sensor

dilakukan berbagai upaya oleh para peneliti seperti perbaikan pada desain struktur sensor, rangkaian pengolah sinyal dan meminiatur

ukuran sensor dalam orde yang lebih kecil . Selain itu teknik

pembuatan sensor juga makin berkembang mulai dari metode konvensional sampai metode dalam bentuk printed circiut board (PCB) atau integrated circuit (IC) seperti:

evaporasi dan sputtering ,

kombinasi dari beberapa metode tersebut disebut hybrid technology.

Metode pembuatan elemen sensor di atas mempunyai proses

yang sangat komplek sehingga mengakibatkan harga proses pembuatan mahal, sensitivitasnya yang dihasilkan rendah karena luas penampang menjadi kecil, dan keterbatan dalam jumlah lilitan dalam

solenoide . Beberapa nilai sensitivitas sensor yang telah berhasil

diperoleh penelti sebelumnya antara lain : 60V/T , 3760 V/T , 28 V/T ,

13100T/V , 20.000V/T , 241 V/T , 0,510 V/T . Selain itu sensor dengan resolusi tinggi yang beredar dipasaran sangat mahal harganya.

Berdasarkan perkembangan sensor magnetik , maka kami

mencoba mengembangkan model geometri elemen sensor dengan

konfigurasi tunggal dengan inti ferromagnetik dan

[25,26] [27,22,28,29] [20,25,26,30,31] [32,33] [34] [31] [35] [32] [36] [16] [29] [20]

3.2.2. Desain dan Pengembangan Sensor Fluxgate

fluxgate

electroplated/electroplating, chemical etching, flex-foil, photolithograpy,

fluxgate

(cross-sectional)

fluxgate

fluxgate

pick-up dual-probe

pick-up ganda dengan bentuk inti oval (race-track). Kedua geometri elemen

sensor tersebut ditunjukkan Gambar 33.

Geometri elemen sensor bagian (b) memiliki kelebihan antara lain medan eksitasi kedua sisi sama besar sehingga dapat mengurangi noise . Berdasarkan hasil desain elemen sensor di atas dan untuk keperluan tulisan ini kami memilih salah satu hasil desain elemen sensor yang telah kami buat, seperti ditunjukkan Gambar 34.

[29] Gambar 33: Geometri elemen sensor fluxgate: (a) pick-up tunggal dan

(b) pick-up ganda[22,23]. H_ext plastik Kumparan pick-up Kumparan eksitasi Vitrovac 6025 Iref Vout Hext Hexc H_exc Hexc Vout Kumparan pick-up Kumparan eksitasi Arus eksitasi Inti ferromagnetik Lexc (a) (b) Gambar 34:

Elemen sensor di atas memiliki konfigurasi 2x40 untuk lilitan eksitasi,

2x70 untuk dan inti Ferromagnetik 10 lapis yang terbuat dari

Metglas 2705M (2x0.02 mm). Hasil desain elemen sensor ini mempunyai dimensi yang kecil, yaitu 1.5 x 0.5 cm.

Dalam pembuatan elemen sensor dengan teknik PCBs memiliki tiga

tahapan proses, yaitu (1). Desain teknik, (2). Desain fisik PCBs, (3),

Pencetakan ke PCBs. Setiap tahap memerlukan perangkat lunak tertentu. Ketiga perangkat lunak tersebut adalah Computer Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided

Manufacturing (CAM) . Untuk mendapatkan hasil yang diharapkan

semua proses mempunyai keterkaitan yang sangat erat dan tidak dapat dipisahkan. Untuk pembuatan elemen sensor fluxgate dengan teknik

PCBs yang sangat menentukan adalah: dan (jalur) yang

mengantikan sistim gulungan kawat yang dilakukan selama ini. Hasil desain dengan teknologi PCBs ditunjukkan Gambar 35. Hasil karakterisasi masing-masing sensor dirangkum dalam Tabel 1. Terlihat daerah linier sangat kecil tetapi sensitivitasnya tinggi, kesalahan absolut dan relatif masih besar. Selain itu ukuran sensor yang diperoleh masih sangat besar. Sensor dengan pick-up tunggal dan PCB 4 lapis memberikan hasil lebih baik dari yang lainnya .

pick-up

footprint track

3.2.3. Pengembangan Sensor Fluxgate Dengan Teknologi PCB

[37]

[38]

Tabel 1. Hasil karakterisasi sensor dengan teknologi PCBs

3.2.4. Aplikasi Sensor Fluxgate

Sensor magnetik dengan prinsip dapat dipergunakan untuk

mengukur medan maganetik DC, AC (khusus frekuensi rendah) dan

mempunyai sensitivitas yang sangat tinggi. Kawahito, , 1998

menemukan sensitivitas sensor adalah 2.7 mV/µT, sedangkan

pada efek Hall sekitar 0,0005 mV/µT untuk bahan Si, dan pada

magnetoresistif sekitar 0.1 mV/µT. Kelebihan lain sensor adalah

ukurannya kecil, kebutuhan daya rendah, dan mempunyai kestabilan yang tinggi terhadap temperatur dengan koefisien sensitivitas temperatur

fluxgate

et al fluxgate

fluxgate [34] Gambar 35: Foto sensor dengan teknologi PCB: (a) pick-up ganda dua lapis,

(b) pick-up tunggal dua lapis, (c) pick-up tunggal 4 lapis.

No Sensor Daerah Linier/ Sensitivitas Kesalahan absolut Kesalahan relatif Sensor F8 ± 2 uT/ 14.1 mV/µT 0.108 µT 2.76 %

Sensor F9 Respon keluaran diperoleh tetapi keluaran tidak linier

Sensor F10 ± 6 uT/ 25.6 mV/µT 0.84 0.86

30 ppm/ C dan koefisien offset 0.1 nT.

Untuk menguji kehandalan sensor yang dikembangkan kami

mencoba mengaplikasikan untuk berbagai pengukuran. Aplikasi yang kami jelaskan dalam tulisan ini antara lain: (1) aplikasi untuk pengukuran medan magnetik lemah dan bahan ferromagnetik, (2) aplikasi untuk pengukuran kuat arus listrik, (3) aplikasi untuk sensor jarak, dan (4) aplikasi untuk getaran.

Aplikasi terhadap pengukuran mineral magnetik didasarkan pada sifat sensor yang dapat mengukur medan magnet lemah (± 20 µT). Untuk

aplikasi sensor terhadap pengukuran medan manet dapat terlihat

pada Gambar 36. °

fluxgate

fluxgate

3.2.4.1. Sebagai Sensor Medan Magnet Lemah DC.

Dari Gambar 36 tampak bahwa daerah linier terdapat pada daerah medan magnet antara -40 T hingga 40 T. Pada daerah ini terdapat hubungan linier antara tegangan keluaran sensor dengan kuat medan magnet yang diukur. Daerah kerja sensor magnetik ini dapat dilihat pada Gambar 37. Tampak dari gambar bahwa kurva linierisasi sensor masih kurang linier, hal ini dapat disebabkan oleh lilitan pada kumparan primer yang kurang simetris. Karena ukuran inti yang cukup kecil, yaitu panjang 30mm, lebar 1mm dan ketebalan 0,1 mm, sangat sulit untuk melilitkan kawat email dengan diameter 0.1mm pada inti tersebut secara manual. Sampai saat ini belum dikatahui cara lain yang lebih mudah dan presisi dalam membuat sensor tersebut selain cara manual.

m m

Gambar 36: Karakteristik keluaran sensor magnetikfluxgateyang dibuat.

Gambar 37: Keluaran medan magnet pada daerah kerja ±40 T.m

Untuk mengetahui kesalahan sensor, keluaran daerah kerja sensor didekati dengan persamaan linier. Dari Gambar 37 terlihat bahwa

T egangan Keluaran (mV) Medan Magnetik ( T)m -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 15 10 5 0 -5 -10 -15 T egangan Keluaran (mV) Medan Magnetik ( T)m -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 15 10 5 0 -5 -10 -15 y = 0.3016x + 0.0124 R = 0.99992

keluaran sensor dapat didekati dengan persamaan linier (15):

V = 0.3016x + 0.0124, (15)

Dari persamaan (15) dapat diketahui sensitivitas sensor 301,46 mV/ T, dengan kesalahan absolut 0.0135 T dan kesalahan relatif 0.017% .

Prototip sensor terhadap pengukuran mineral magnetik ditunjukkan Gambar 38a dan 38b. Pengukuran respon bahan magnetik dilakukan dengan cara menggerakkan sensor pada permukaan yang sudah diberi koordinat x dan y (a), sedangkan bahan magnetik yang diukur berupa potongan besi dengan panjang dan diameter 1 cm diletakkan dibawah permukaan tersebut pada jarak 1.5 cm. Sistem dan hasil pengukuran ditunjukkan Gambar 38.

Berdasarkan Gambar 38c dapat diketahui bahwa sensor fluxgate dapat mendeteksi keberadaan bahan magnetik yang disembunyikan di bawah permukaan. Hasil akan dikembangkan lebih jauh untuk mendeteksi bahan-bahan mineral magnetik yang berada di bawah permukaan bumi.

out

m

m [39]

(a) (b)

Gambar 38: Set-up pengukuran bahan magnet: (a) posisi sensor,

(b) posisi bahan magnet, (c) hasil pengukuran.

Gambar 39: Pengukuran arus pada kawat[40]

3.2.4.2. Sebagai Sensor Kuat arus

Untuk uji coba dilakukan dengan menghitung arus yang mengalir pada kawat lurus dengan mendeteksi medan magnet yang dipancarkan. Sebagai kawat digunakan jalur pada PCB yang panjangnya 20 cm. Sensor medan magnet diletakkan saling memotong tegak lurus di atas jalur tersebut. Pada jalur PCB dilewatkan arus mulai dari 0,1 mA, sampai 1900 mA dengan interval tertentu. Pengukuran dilakukan dengan jarak sensor yang berbeda-beda. Sistem pengukuran arus ditunjukkan Gambar 39.

(c) B( T)m Y(cm) X(cm) 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 2 1 0 -1 -2 -5 -5

Pada percobaan ini dilakukan pengukuran pada tiga jarak yang berbeda yaitu 4 mm, 8 mm, dan 18 mm. Aplikasi terhadap pengukuran arus, terlihat bahwa keluaran sensor bersifat linier dan kuadratis. Pendekatan kuadratis diaplikasikan untuk daerah pengukuran arus 0-1900mA, dan pendekatan linier dilakukan untuk daerah pengukuran arus 0-100mA. Dari kedua cara pendekatan tersebut diperoleh kesalahan maksimum yang relatif kecil, untuk daerah 0-1900mA kesalahan maksimumnya adalah 4.6 % untuk jarak pengukuran 4 mm, 2.3 % untuk jarak pengukuran 8 mm, dan 1.4 % untuk jarak pengukuran 18 mm. Untuk daerah pengukuran arus yang kecil kesalahan dapat lebih dihindari, hal ini terbukti ketika dilakukan pengukuran pada daerah arus 0-100mA, kesalahan maksimum pengukuran pada daerah ini adalah 1.64% (18mm), 0.62 % (8mm) dan 0.9 % (4mm) .

Aplikasi sensor fluxgate sebagai alat ukur muai menggunakan desain kumparan pick-up tunggal . Berdasarkan hasil analisis diperoleh bahwa sensor muai yang dibuat dapat mengukur panjang pemuaian dalam rentang pengukuran maksimum sampai 3.68 mm, dengan sensitivitas 250 mV/mm. Kesalahan absolut dari pengukuran dengan sensor muai ini sebesar 0.037 mm, sedangkan kesalahan relatifnya sebesar 0.68%. Set-up saat pengukuran ditunjukkan Gambar 40.

[37]

[41]

3.2.4.3. Sebagai Sensor Muai Panjang

Gambar 40: Pengukuran muai panjang.

Gambar 41: Sistem pengukuran jarak menggunakan sensorfluxgate.

3.2.4.4. Sebagai sensor jarak (proximity sensor)

Pengukuran jarak dengan mikrometer digital ditunjukkan gambar 41.

Karakteristik pengukuran jarak di tunjukkan gambar 42. Berdasarkan gambar 42 didapatkan hubungan antara jarak dengan tegangan keluaran sensor secara matematis dapat dedekati dengan persamaan:

V= - 0,1045X + 2,8162 (16)

x dalam dan y dalam . Hal ini berarti bahwa perubahan jarak

yang terjadi antara target dengan sensor berbanding terbalik dengan karakteritik keluaran sensor, semakin jauh dari target karakteristik tegangan keluaran makin kecil dan sebaliknya. Berdasarkan sensor

mampu mendeteksi perubahan jarak dengan resolusi 10 µm, kesalahan

absolut 0.12 µm dan kesalahan relatif 2.5% . Kemampuan mendeteksi

perubahan jarak dalam orde yang sangat kecil membuka peluang untuk mengaplikasikan menjadi sensor tekanan, aliran, proximity, dan getaran.

[42]

Karakteristik statik sensor diukur pada jarak 15 sampai 50 mm, parameter amplitudo dan frekuensi diukur dengan multimeter digital HP34401A dan display frekuensi yang terukur diamati dengan labview 8. Sensor Fluxgate yang dikembangkan dapat mendeteksi getaran objek pada rentangan 55 sampai 360 Hz, rentangan frekuensi ini diperoleh pada jarak statik 30 mm. Kesalahan absolut dan relatif geratan masing-masing adalah 2 Hz dan 0.75%

Untuk aplikasi sensor pada frekeunsi rendah juga telah dilakukan. Optimasi statik terhadap jarak maksimum (amplitudo maksimum) antara probe sensor dengan objek bergetar diperoleh ketika jarak 2 cm. Gambar 44 menunjukkan pegukuran getaran pada frekuensi rendah . Fluxgate sebagai sensor getaran frekuensi rendah mampu mendeteksi frekuensi sumber 0.14 sampai 1.15 Hz dengan kesalahan absolut 0.017 Hz dan kesalahan relatif 1.3%. Kemampuan sensor fluxgate dalam mengukur gataran dalam frekuensi rendah dapat di kembangkan sebagai alat ukur getaran gempa.

[39]

[44] Gambar 42: Respon tegangan keluaran terhadap jarak target.

3.2.4.5. Sebagai Sensor Getaran.

Aplikasi sensor fluxgate terhadap getaran dilakukan dengan cara menempatkan sensor fluxgate dekat objek yang bergetar. Posisi sensor ini tidak bersentuhan dengan objek yang bergetar. Set-up pengukuran ditunjukkan gambar 43.

Gambar 43: Aplikasi fluxgate untuk mengukur getaran.[43] _{Gambar 44: Skema dan photo pengukuran frekuensi rendah}[40]

y = -0.1045x +2.8162 R = 0.99612 2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 Jarak (mm) T egangan (volt)

3.3. Sensor Berbasis GMR 3.3.1. Pendahuluan Magnetoresistance magnetoresistance giant magnetoresistance “spintronics” up down (resistance) (spin-dependent scattering)

adalah perubahan resistansi logam bila berada

dalam medan magnet luar. Efek yang sangat besar

dinamakan dengan (GMR). Efek GMR merupakan

topik penelitian dasar selama akhir tahun 1980-an. Fenomena GMR ini menyedot banyak perhatian peneliti dan menjadi sebuah area penelitian terapan yang luas. Dalam waktu yang relatif singkat, penerapannya mulai terlihat dalam bentuk perbaikan divais memori dan sensor. Area

penelitian yang menarik ini, dinamakan dengan , dimana

transport elektron bergantung spin dalam multilayer logam memainkan peranan yang sangat penting. Penemuan GMR ini berdampak besar pada teknologi sensor dan penyimpanan data magnetik.

Efek GMR merupakan efek mekanika kuantum yang diamati dalam struktur lapisan tipis yang terdiri lapisan feromagnetik yang dipisahkan oleh lapisan nonmagnetik. Basis fisika dari efek GMR ini berhubungan dengan kenyataan bahwa spin elektron memiliki dua nilai yang berbeda

(yang dinamakan dengan spin dan spin ). Ketika spin-spin ini

melintasi material yang telah dimagnetisasi, salah satu jenis spin mungkin

mengalami hambatan yang berbeda daripada yang dialami

oleh jenis spin lainnya. Sifat ini menunjukkan adanya hamburan

bergantung spin .

Kajian fisika dari GMR berdasarkan pada pengaruh spin terhadap

sifat konduksi dan sifat penerobosan elektron-elektron dalam

logam feromagnetik. Perbedaan sifat konduksi mayoritas dan minoritas dari spin elektron dalam logam feromagnetik pertama kali diamati oleh Mott. Secara kualitatif, GMR dapat dijelaskan dengan menggunakan model Mott ini. Ada dua hal yang diusulkan oleh Mott: pertama konduktivitas listrik dalam logam dapat diuraikan dalam hubungannya dengan dua saluran konduksi bebas; yang pertama berhubungan dengan

elektron dengan dan yang lain berhubungan dengan elektron

dengan . Kedua, di dalam logam feromagnetik laju hamburan

dari dan elektron-elektron sangat berbeda. Menurut

Mott arus listrik semata-mata dibawa oleh elektron-elektron dari pita

valensi dengan massa efektif rendah dan mobilitas tinggi. Pita valensi

memainkan peran penting dalam menyediakan keadaan akhir untuk

hamburan elektron-elektron dalam pita . Dalam feromagnetik pita

adalah bertukar-pisah , sehingga rapat keadaan

elektron-elektron pada tingkat energi Fermi tidak sama untuk dan .

Peluang hamburan dalam keadaan ini sebanding dengan kerapatannya, sehingga laju hamburan bergantung spin, atau dengan kata lain hamburan berbeda untuk kedua saluran konduksi di atas.

Penemuan GMR telah membuka peluang untuk penerapannya dalam banyak bidang aplikasi. Beberapa divais yang bekerja berdasarkan fenomena GMR ini telah dikembangkan. Diantara divais tersebut

misalnya: perekaman magnetik pada , sensor medan magnet

dan memori .

(tunneling)

spin up spin down

spin up spin down

sp d

sp d

( exchange-split )

spin up spin down

hard disk drive non-volatile

3.3.2. Prinsip GMR

Lapisan tipis GMR mempunyai struktur yang berbeda-beda dan

masing-masing struktur memiliki efek ( MR ) yang

berbeda pula. Struktur GMR terdiri dari struktur

dan . Struktur merupakan stuktur

dasar GMR yang terdiri dari tiga lapisan dengan susunan bahan feromagnetik/nonmagnetik/feromagnetik (FM-NM-FM). Struktur

merupakan struktur yang diberi lapisan pengunci

, sedangkan struktur , adalah struktur dengan

pengulangan lapisan feromagnetik/non magnetik (FM/NM) dengan indeks n adalah jumlah pengulangan. Ketiga struktur tersebut dapat terlihat pada gambar 45.

Fenomena GMR dalam multilayer feromagnetik dapat dijelaskan dengan argumentasi Mott, yakni: (1) konduktivitas listrik dalam logam dapat diuraikan dalam hubungannya dengan dua saluran konduksi

bebas; yang pertama berhubungan dengan elektron dengan dan

yang lain berhubungan dengan elektron dengan , (2) di dalam

logam feromagnetik laju hamburan dari dan

elektron-elektron sangat berbeda.

magnetoresistance

sandwich, spin valve

(sandwich pinned) multilayer sandwich

spin

valve sandwich (pinning

layer) multilayer

spin up spin down

spin up spin down

n Gambar 45: Struktur lapisan tipis GMR: (a) , (b) ,

dan (c) .

sandwich spin valve multilayer

Tinjau konfigurasi feromagnetik seperti Gambar 45, dan

diasumsikan bahwa hamburan kuat terjadi untuk elektron dengan spin antiparalel terhadap arah magnetisasi, sedangkan hamburan lemah terjadi untuk elektron dengan spin paralel terhadap arah magnetisasi. Anggapan ini menggambarkan asimetri dalam rapat keadaan pada tingkat Fermi yang bersesuaian dengan argumentasi Mott yang kedua. Dalam Gambar 46, diperlihatkan lintasan elektron dalam dua saluran spin . Diasumsikan lintasan bebas rata-rata elektron lebih besar dari ketebalan lapisan dan arus mengalir dalam bidang lapisan. Untuk

magnetisasi paralel pada (c) elektron melewati lapisan tanpa

dihamburkan sedangkan elektron dengan mengalami

hamburan kuat dalam kedua lapisan feromagnetik, menghasilkan multilayer (spin channels) spin up spin down (a) FM FM NM (b) (c) FM FM NM NM FM FM FM Lapisan pengunci

resistivitas total kecil.

Untuk magnetisasi antiparalel pada (d), keduanya dan

mengalami hamburan kuat dalam satu lapisan feromagnetik, sehingga resistivitas total dalam multilayer menjadi tinggi. Model ini dinamakan dengan model konduksi dua arus, seperti diperlihatkan dalam Gambar 46.

spin up spin

down

Gambar 46:Ilustrasi tranport elektron dalam multilayer feromagnetik untuk

(a) magnetisasi paralel, dan (b) magnetisasi antiparalel. (c) dan (d) Model rangkaian resistor untuk magnetisasi paralel dan antiparalel[45].

Hamburan bergantung spin diusulkan oleh Baibich, dkk , yang

didasarkan pada argumen Mott. Baibich menyimpulkan bahwa probabilitas sebuah elektron dihamburkan pada antarmuka antara

[46]

lapisan ferromagnetik dan lapisan non-magnetik ketika melewati dan masuk ke dalam lapisan feromagnetik, bergantung pada arah spin dan arah momen magnet lapisan. Hamburan yang bergantung spin merupakan fenomena mekanika kuantum dimana lintasan bebas rata-rata elektron dalam logam magnetik, dan perubahan resistivitasnya dipengaruhi oleh orientasi relatif dari spin elektron konduksi dan momen magnet material magnetik.

Penerapan material GMR sebagai sensor medan magnet, memiliki kelebihan dibandingkan sensor lainnya yakni: sensitivitas yang tinggi, harga murah, konsumsi daya rendah dan ukuran kecil. Selain itu, pemasangan sensor GMR tidak bersentuhan dengan rangkaian yang diukur, sehingga mengurangi kesalahan pengukuran. Dengan adanya kelebihan dari sensor GMR ini, banyak penelitian telah kami dilakukan di bidang ini, dan beberapa paper telah pula dipublikasikan dalam beberapa

jurnal dan prosiding[47,48,49,50,51,52,53,54,55].

Gambar 47: Model konduksi bebas dua arus. A. kondisi resistansi rendah dan

B. kondisi saat resistansi tinggi.

spin up

spin down

spin up

spin down

R R R R R _R R R (a) (b) (d) (c) arus

“spin up” _{“spin down”}arus

konfigurasi

parallel konfigurasi anti-parallel

arus

“spin up” _{“spin down”}arus

Gambar 48. Konfigurasi Jembatan Wheatstone

Gambar. 49. Hasil pengukuran dalam konfigurasi jembatan Wheatstone

3.3.3. Aplikasi Sensor GMR

3.3.3.1. Pengukuran Medan Magnetik

I

H I

Dalam aplikasi sensor medan magnetik, sensor yang sudah terintegrasi dalam jembatan Wheatstone dimasukkan kedalam kumparan solenoida. Perubahan medan magnet solenoida akan menyebabkan peru-bahan keluaran tegangan jembatan Wheatstone. Kumparan solenoida dililitkan pada sebuah tabung silinder yang terbuat dari tembaga. Panjang selenoida 240 mm, diameter sekitar 41.6 mm. Jumlah lilitan kawat sekitar 200 buah, dengan diameter kawat sekitar 0.4mm. Dari hasil kalibrasi diperoleh hubungan medan magnet aplikasi yang dialami sample terhadap arus induksi sebagai fungsi linier berikut: H(I) = 1.9568I - 0.043,

dimana induksi magnetik dalam µT dan arus induksi dalam mA.

Konfigurasi Jembatan ditunjukkan gambar 48. Hasil

pengukuran karakteristik sensor dengan ketebalan lapisan magnetik 10 nm dengan ketebalan lapisan non magnetik 2 nm dan 6 nm ditunjukkan pada gambar 49.

Wheatstone

3.3.3.2. Pengukuran Arus

Dalam aplikasi sensor arus, film tipis sandwich GMR diletakkan diatas saluran yang dialiri arus, seperti gambar 50:

Gambar 50: Posisi film tipis sandwich GMR sebagai sensor arus.

Gambar 51: Foto set up peralatan pengukuran arus.

Setting peralatan pengukuran arus ditunjukkan seperti gambar 51 berikut.

Hasil pengukuran arus ditunjukkan pada Gambar 52.

Gambar 52: Hasil keluaran sensor

terhadap pengukuran arus.

substrat

film

Gambar 53. Keluaran sensor terhadap arus yang dilewatkan pada kawat

Gambar 54. Kesalahan absolut dan kesalahan relatif pengukuran arus

Dari gambar 52 dapat dilihat bahwa medan yang dapat dideteksi oleh sandwich GMR pada arus dibawah 200 mA cukup kecil (akibat adanya

perbedaan jarak antara arus dan permukaan ). Oleh karena itu

rentang kerja sensor diambil di atas 200 mA. Grafik keluaran sensor terhadap arus yang dilewatkan pada kawat untuk daerah kerja di atas 200 mAditunjukkan seperti gambar 53.

sandwich

Kesalahan absolut maksimum dan kesalahan relatif maksimum pengujian adalah masing-masing 1.65 mV dan 5.77% pada arus 300 mA. Kesalahan absolut dari keluaran sensor di atas ditunjukkan dalam Gambar 54.

Sensor GMR yang peka terhadap medan magnet dapat digunakan untuk menghitung pulsa yang ditimbulkan oleh magnet tetap yang ditempelkan pada roda atau motor yang akan dihitung putarannya.

3.3.3.3. Pengukuran Putaran

Sensor magnet akan mendeteksi putaran ketika magnet tetap menjauh dan mendekat ketika melekat pada piringan roda, akibatnya akan timbul pulsa-pulsa dari rangkaian sensor. Kemudian pulsa-pulsa ini dihitung dengan menggunakan pencacah mikrokontroller, lalu langsung ditampil-kan pada displai. Gambar 55 menunjukditampil-kan sistem roda yang dipasang magnet tetap. Setting peralatannya ditunjukkan dalam gambar 56.

Gambar 55. Set up sensor GMR untuk sensor putaran

Gambar 56. Setting peralatan sensor putaran

Gambar 57. Tegangan keluaran motor terhadap putaran/detik.

Gambar 58. Kesalahan relatif sensor putaran

Hasil pengukuran sensor putaran ini diperlihatkan dalam Gambar 57. Kesalahan relatif pengukuran putaran di atas ditunjukkan pada masing-masing Gambar 58.

3.3.3.4. Aplikasi GMR untuk Biosensor

Dalam beberapa tahun terakhir ini, divais sensor

(GMR) telah menunjukkan potensi yang besar sebagai elemen untuk

mendeteksi biomolekul .

Hambatan sensor GMR berubah bila medan magnet dikenakan pada sensor, sehingga biomolekul yang dilabeli secara magnetis dapat menimbulkan sinyal. Dibandingkan dengan pendeteksi optik tradisional yang sekarang banyak digunakan dalam biomedis, sensor GMR, lebih

sensitif, portabel dan memberikan pembacaan elektronik sepenuhnya .

Selain itu, sensor GMR murah dan fabrikasinya saat ini kompatibel

dengan teknologi VLSI , sehingga sensor GMR

dapat dengan mudah diintegrasikan dengan elektronik dan mikrofluida untuk mendeteksi banyak analit yang berbeda pada sebuah chip tunggal. Salah satu contoh penerapan biosensor GMR adalah pada pendeteksian DNA. Langkah-langkah pendeteksian DNA oleh biosensor diperlihatkan dalam gambar 59.

giant magnetoresistive

(Very Large Scale Integration) [56,57,58,59]

[49]

Gambar 59: Prinsip biosensor GMR: (a) imobilisasi probe DNA;

(b) hibridisasi DNA dari analit (c) pengikatan penanda magnetik

dan deteksi medan mereka oleh biosensor GMR[49].

4. PENGEMBANGAN SENSOR DI MASA DEPAN: SUATU PERSPEKTIF

4.1. Revolusi Industri Tahap ke Tiga

Menurut Johan H. Huijsing perkembangan teknologi otomatisasi mengalami tiga tahap, yaitu tahap mekanisasi, tahap informatisasi, dan tahap sensorisasi seperti ditunjukkan gambar 60. Pertama tahap mekani-sasi yaitu saat manusia mulai mengembangkan mesin-mesin untuk industri, seperti mesin uap, mesin bakar, motor listrik, dan mesin jet. Tahap pertama ini melahirkan revolusi industri yang pertama. Tahap ke dua yakni era ketika manusia mulai mengembangkan logika artifisial dan komunikasi seperti komputer dan internet yang melahirkan revolusi informasi. Penemuan sensor-sensor baru yang ukurannya semakin kecil, harganya semakin murah, beratnya semakin ringan, kemampuannya semakin besar, memungkinkan manusia mengembangkan penginderaan secara buatan. Sensorisasi bersama-sama dengan mekanisasi dan

informatisasi akan melahirkan revolusi industri tahap ke tiga yang ditandai dengan mulainya era otomatisasi penuh dan robotisasi.

Gambar 60: Sensorisasi: revolusi industri tahap ke tiga .[50]

Tanda-tanda ke arah ini sudah mulai tampak, misalnya dengan diciptakannya sistem kontrol otomatis penuh pesawat terbang modern seperti diperlihatkan gambar 61.

Gambar 61: Sistem pesawat otomatis penuh, contoh integrasi dari

mekanisasi, informatisasi, dan sensorisasi[50].

Dalam sistem ini terdapat banyak sensor untuk memonitor banyak parameter di pesawat, seperti tekanan, temperatur, posisi dan parameter lainnya. Komputer untuk memproses sinyal, melakukan komunikasi, melakukan kontrol gerak aktuator, gerak mesin, gerak rudder. Dalam sistem ini terlihat jelas bagaimana mekanisasi, informatisasi dan sensorisasi saling bekerjasama yang memungkinkan pesawat terbang secara autopilot.

Perkembangan yang sangat maju pada otomatisasi teknologi pesawat terbang, sayangnya belum banyak diikuti oleh perkembangan otomatisasi di bidang lainnya, misalnya sampai saat ini belum ada mobil yang dapat berjalan secara otomatis penuh. Masalah utamanya adalah bahwa untuk otomatisasi kendaraan bermotor (mobil) diperlukan banyak sekali sensor seperti ditunjukkan Gambar 62. Dengan teknologi sensor yang ada sekarang hal ini belum memungkinkan, karena untuk itu mobil menjadi terlalu berat, terlalu banyak kabel, terlalu mahal untuk diproduksi.

Mekanisasi Informasi Sensorisasi

1900 1950 2000 2050

sensor komputer aktuator

sensor

pengolahan

sinyal mikrokontroler sistim bus

Untuk mengatasi masalah ini maka teknologi sensor yang akan datang harus dapat mereduksi biaya, berat, dan ukuran suatu sistem sensor dan mudah diintegrasikan. Persyaratan ini dapat dipenuhi oleh

suatu sistem sensor smart yang terintegrasi .

Beberapa tahun belakangan ini banyak usaha dilakukan orang untuk meningkatkan kehandalan sensor dan sistem sensor dan sekaligus menurunkan biaya fabrikasi. Terutama akan dikembangkan sensor dan sistem sensor pada bidang-bidang yang banyak pemakainya, seperti kendaraan bermotor, perumahan (misalnya untuk keamanan, pengaturan sirkulasi udara, pengaturan temperatur, pengaturan kelembaban), transport makanan atau gudang tempat penyimpanan makanan (misal-nya temperatur, kelembaban, konsentrasi gas) sehingga harga perbuah sensor atau sistem sensor bisa ditekan pada harga yang rendah.

Tujuan ke depan adalah mebuat sensor atau sistem sensor yang smart, terintegrasi, punya sistem bus, dan dapat direalisasikan dalam teknologi

chip yang murah sebagai MCM . Gambar 63.

menunjukkan suatu sistem sensor smart terintegrasi yang dilengkapi dengan elemen sensor, pengolah sinyal, mikrokontroler dengan pengu-bah analog ke digital, dan sistem bus. Mikrokontroler memungkinkan pengolahan sinyal secara digital, sistem bus digital menawarkan kemudahan kontak/komunikasi dan kemudahan konfigurasi dalam suatu sistem instrumentasi.

(integrated smart sensor system)

(Multi-Chip-Module)

4.2. Sistem Sensor Smart Terintegrasi

Gambar 63: Sistem smart sensor dalam teknologi multichip.

Konsekuensi penggunaan dari struktur sistem smart sensor seperti ini dan juga penggunannya untuk komponen instrumentasi lainnya mengarahkan kita pada bentuk sistem instrumentasi seperti pada gambar 64. Disamping sistem sensor terintegrasi dengan intelegensi terdesen-tralisasi suatu sistem instrumentasi dapat juga dilengkapi dengan smart aktor yang dilengkapi dengan algorima pengontrolnya.

Proses Teknis

ES PSA ADC μC SB elemen sensor pengolah sinyal analog pengubah analog-digital mikrokontroler sistim bus SB

unit kontrol pusat UKP PC SB TPK pengguna tampilan dan papan ketik EA DE DAC μC SB sistim bus mikrokontroler pengubah digital-analog daya elektronik elemen aktuator ES PSA ADC μC SB

Suatu unit pengatur pusat (seperti PC, laptop, atau modul PC) berfungsi mengatur/mengontrol sistem bus dan bisa juga digunakan untuk melakukan pengolahan sinyal secara khusus, misalnya untuk mengolah atau mengenal citra. Melalui suatu papan ketik dan displai pengguna dapat berkomunikasi dengan sistem teknis, misalnya untuk menkonfigurasi atau melakukan konfigurasi baru terhadap sistem.

Biaya produksi sistem instrumentasi seperti ini ditentukan oleh banyak hal, antara lain teknologi mikro dan teknologi sistem mikro, teknologi rekayasa, dan teknologi perangkat lunak yang digunakan. Untuk menekan biaya produksi perlu dilakukan pemilihan teknologi pembuatan yang tepat.

Pada kesempatan yang berbahagia ini perkenankanlah dengan segala kerendahan hati, saya sampaikan rasa hormat dan terima kasih kepada pimpinan dan anggota Majelis Guru Besar ITB atas kehormatan yang diberikan kepada saya untuk menyampaikan orasi ini di hadapan para hadirin sekalian.

Terima kasih yang begitu dalam dan tak bertepi kepada ayahanda almarhum H. Sjafaroeddin Djamal dan ibunda Hj. Jusniar Djamal, kepada mertua almarhum H. Soegiri Brotowasito SH dan ibu Hj. Ien Soegiri – Hardjokusumo, yang doa, kasih sayang dan pengorbanannya tak pernah

²

UCAPAN TERIMA KASIH

putus untuk putra-putrinya, serta kakak, adik dan saudara dari kedua keluarga yang selalu memberi dukungan kepada saya untuk meraih jenjang pendidikan tertinggi. Dengan ketulusan dan segenap cinta, terima kasih untuk Prastuti Indreswari pasangan hidup saya yang dengan kesabaran, semangat, kegigihan dan rasa optimisnya yang luar biasa telah banyak mendorong saya agar senantiasa bertekad untuk menjadi manusia yang lebih baik dan lebih bermanfaat. Kedua buah hati kami Rakanda Pranidhana dan Daryanda Dwiammardi yang selalu menginspirasi dan berjiwa besar karena haknya atas saya yang terampas.

Terima kasih yang mendalam kepada para guru dan pendidik yang telah berjasa membimbing dan mendidik saya sejak SD. Tebet Barat I, Jakarta, SMPN 43, Jakarta, SMAN 3, Jakarta, Institut Teknologi Bandung, Universitat des Bundeswehr München Jerman sehingga saya bisa menjadi insan seperti ini.

Terima kasih kepada Prof. Ir. Lilik Hendrajaya, MSc. PhD., Prof. Dr. Freddy P. Zen, Prof. Dr. Ismunandar, Prof. Dr. Edy Soewono, dan Prof. Dr. Buchari yang telah memberikan rekomendasi kepada saya untuk menduduki jabatan akademik ini.

Tak lupa saya sampaikan penghargaan yang tinggi kepada Prof. Dr.-Ing. Hans-Rolf Tränkler (Universitaet der Bundeswehr München, ) atas ilmu, ide-ide, dorongan dan bimbingannya selama saya menempuh studi S3 hingga saat ini. Prof. Dr. rer. nat. E. Schruefer

(Technische Universit t München, ) atas kerjasamanya,

diskusi-Jerman