3 SENSOR SUHU BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) BERBANTUKAN MIKROKONTROLER ATMEGA8535. Pendahuluan

(1)

15 3 SENSOR SUHU BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) BERBANTUKAN MIKROKONTROLER

ATMEGA8535

Pendahuluan

Material ferroelektrik memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya, dapat terpolarisasi secara spontan dan menunjukkan efek histerisis yang berkaitan dengan pergeseran dielektrik dalam menanggapi medan listrik internal1-3. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit, sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat piroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektro optik untuk diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelectric Random

Acsess Memory (NVFRAM) (Azizahwati, 2002), H . Syafutra et al. (2010),

Irzaman et al. (2003).

Mikrokontroler merupakan otak dari sebuah sistem elektronika digital, yang dimana sistem kerjanya diatur berdasarkan program dalam bahasa pemrograman yang digunakan. Bahasa pemrograman yang biasa digunakan dalam memrogram mikrokontroler produksi Atmel adalah bahasa Assembler, bahasa C, C++, basic, ataupun turbo pascal(Atmel (2003) dan A. Ardian et al. (2010)).

ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR yang diproduksi secara masal pada tahun 2006. ATMega8535 memiliki beberapa kemampuan, yaitu sistem mikrokontroler 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz, memiliki memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte dan EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 512 byte, memiliki ADC (Pengubah analog-ke-digital) internal dengan ketelitian 10 bit sebanyak 8 saluran, memiliki PWM (Pulse Wide Modulation) internal sebanyak 4 saluran, portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps, dan enam pilihan mode sleep, untuk menghemat penggunaan daya listrik (Atmel (2003) dan A. Ardian et al. (2010)).

Bahan dan Metode

Karakterisasi film BST sebagai sensor suhu Rentang nilai

Rentang nilai dari suatu sensor adalah nilai maksimum dan minimum yang dapat diberikan suatu sensor dari parameter yang dapat diukur[1]. Sensor dapat dikatakan memiliki rentang nilai minimum ataupun maksimum jika sensor tersebut tidak terjadi perubahan nilai keluaran (dalam hal ini berupa tegangan) jika diberikan rangsangan suhu (A. Ardian et al, 2010).

Proses pengujian dimulai dengan memberikan suhu dengan cara memasukan film BST ke dalam furnace, kemudian furnace diatur dengan suhu kenaikan sebesar 1 oC/menit dengan suhu awal 30 oC hingga film tidak lagi

(2)

16

menunjukan data keluaran yang cukup berarti (dalam kata lain perubahan nilai keluaran mendekati nol).

Sensitivitas

Secara umum, sensitifitas merupakan masukan minimum dari parameter fisik yang dapat membuat perubahan pada nilai keluaran. Sensitivitas dari sebuah sensor dapat didefinisikan sebagai kemiringan kurva karakteristik keluaran (∆y/∆x). Sensitifitas diperoleh dengan cara memberikan input berupa suhu. Dengan adanya input suhu, sensor akan merespon dan mengeluarkan output berupa tegangan tertentu (A. Ardian et al, 2010).

Resolusi

Perubahan nilai terkecil sebagai nilai masukan yang dapat dibaca oleh sensor disebut sebagai nilai resolusi (A. Ardian et al, 2010). Nilai resolusi dari film BST dapat diamati dari perubahan output ketika film BST diberikan input terkecil.

Tingkat akurasi

Perbedaan output maksimum yang dihasilkan terhadap nilai yang sebenarnya disebut sebagai tingkat akurasi (A. Ardian et al, 2010). Pengukuran tingkat akurasi film BST dilakukan dengan cara membandingkan nilai parameter keluaran film BST dengan dengan alat ukur lain.

Histerisis

Histerisis merupakan pola jalur yang berbeda dari output sensor ketika diberikan input monoton naik dan dikembalikan monoton turun ke posisi semula (A. Ardian et al, 2010).

Pengintegrasian film BST sebagai sensor pembaca suhu ruangan berbantukan mikrokontroler ATMega8535

Sensor yang digunakan adalah film BST yang dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Sinyal tegangan keluaran dari jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp digunakan IC LM324 (Kurniawan, 2011). Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10.

(3)

17

Selesai Data output

film BST

Di kuatkan dengan rangkaian penguat (op-amp)

Mikrokontroler ATMega8535 Tampilan di LCD Ya Tidak Mulai

Gambar 11. Diagram alir pengujian sensor suhu BST

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Film BST sebagai Sensor Suhu

Pengukuran karakterisasi film BST sebagai sensor suhu dilakukan dengan cara pemberian rangsangan berupa suhu. Input suhu pada film diberikan di dalam

furnace. Furnace diatur dengan kenaikan suhu 1 oC/menit. Pengukuran dilakukan

dengan pemberian suhu awal 30 oC sampai suhu kondisi dimana film tidak lagi menunjukan output berupa tegangan yang cukup berarti. Proses pengukuran menggunakan rangkaian jembatan wheatstone. Output dari jembatan wheatstone menunjukan bahwa besarnya nilai output yang dihasilkan berbanding lurus dengan nilai input yang diberikan. Ouput yang berasal dari rangkaian jembatan

wheatstone kemudian diplotkan dengan input (suhu) yang diberikan, sehingga

diperoleh hasil rentang nilai, sensitivitas, resolusi, tingkat akurasi dari masing-masing film yang diolah dengan persamaan regresi linear.

Hasil pengukuran menunjukkan perlakuan substrat enhancement menghasilkan nilai sensitivitas yang lebih baik dibandingkan dengan perlakuan substrat depletion. Secara jelas, rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi dari masing-masing film BST ditunjukkan pada Tabel 2. Hasil karakterisasi histerisis yang ditunjukan pada Gambar 12 sampai Gambar 17 menunjukkan bahwa histerisis pada film enhancement-850 oC (Gambar 14) mempunyai selisih suhu monoton naik dan monoton turun yang kecil dibandingkan film yang lainnya.

(4)

18

Tabel 2. Data rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi film BST sebagai sensor suhu

Film BST U lan gan Rentang* (oC) Sensitivitas* (mV/ oC) Resolusi Sensor* (oC) Tingkat akurasi* (%) Enhancement-800 oC 1 30-74 0,639 1 93,8 2 30-112 0,653 1 95,3 3 30-79 0,642 1 96,3 Depletion-800 oC 1 - - - - 2 30-57 0,224 1 90,4 3 30-95 0,347 1 98,8 Enhancement-850 oC 1 30-115 0,734 1 92,6 2 30-109 0.862 1 92.2 3 30-109 0,814 1 94,4 Depletion-850 oC 1 30-95 0.316 1 99 2 30-95 0,742 1 97,1 3 30-54 0,407 1 91,4 Enhancement-900 oC 1 30-79 0.598 1 94.2 2 30-88 0,347 1 82,2 3 30-85 0,642 1 91,3 Depletion-900 oC 1 30-82 0.490 1 94.5 2 30-73 0,351 1 91,8 3 30-88 0,352 1 85,8

Sumber: *(A. Ardian et al, 2010).

Suhu (oC) 20 40 60 80 100 120 140 T e g a n g a n K e lu a ra n ( m V ) 0 50 100 150 200 250 300 350

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

(5)

19 Suhu (oC) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 T e g a n g a n K e lu a ra n ( m V )

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

Gambar 13. Histerisis BST depletion-800 oC

Suhu (o_C) 0 50 100 150 200 T e g a n g a n k e lu a ra n ( m V ) 0 50 100 150 200 250 300

Gambar 14. Histerisis BST enhancement-850 oC

Suhu (oC) 0 50 100 150 200 T e g a n g a n k e lu a ra n ( m V ) 0 20 40 60 80 100 120 140

(6)

20 Suhu (o_C) 0 50 100 150 200 T e g a n g a n k e lu a ra n ( m V ) 100 150 200 250 300 350

Gambar 16. Histerisis BST enhancement-900 oC

Suhu (oC) 0 50 100 150 200 T e g a n g a n k e lu a ra n ( m V ) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Gambar 17. Histerisis BST depletion-900 oC

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

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

Pengintegrasian Sensor Suhu BST Berbantukan Mikrokontroler ATMega8535

Hasil karakterisasi film BST digunakan sebagai data awal dalam pengintegrasian mikrokontroler. Ketika pengintegrasian mikrokontroler, data yang menjadi variabel tetap adalah tegangan, seperti ditunjukan pada Gambar 18.

(7)

21 y = 1.159x - 11.45 R² = 0.944 Tegangan Keluaran (mV) 0 20 40 60 80 100 S uh u ( oC) 0 20 40 60 80 100 120

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

Analog to Digital Converte (ADC) dengan resolusi 10 bit dengan tegangan

referensi 4,8 volt, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan yang masuk sebesar 0,0046875 volt. Untuk menyesuaikan resolusi film BST dengan resolusi ADC maka digunakan rangkaian penguat (op-amp). Rangkaian penguat yang digunakan adalah rangkaian penguat diferensial dan rangkaian penguat

noninverting, yang ditunjukan pada Gambar 10. Rangkaian penguat diferensial

adalah rangkaian yang membandingkan dua masukan. Rangkaian penguat diferensial yang digunakan adalah gabungan dari rangkaian noninverting dan

inverting. Total penguatan rangkaian untuk film BST adalah 2 kali penguatan dari

rangkaian penguat diferensial dan 11 kali penguatan dari rangkaian penguat

noninverting, sehingga total penguatannya adalah 22 kali. Dari hasil penguatan

diperoleh hubungan fungsi tegangan keluaran terhadap suhu yang ditunjukan pada Gambar 19. y = 0.052x - 11.45 R² = 0.944 Tegangan Keluaran (mV) 0 500 1000 1500 2000 2500 S uh u ( oC) 0 20 40 60 80 100 120

Gambar 19. Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 oC yang sudah dikuatkan dengan op-amp.

(8)

22

Melalui persamaan linear yang dihasilkan Gambar 19, mikrokontroler dapat membaca masukan dari tegangan yang diberikan. Persamaan linear ini selanjutnya dimasukan ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu dalam bentuk digital ditampilkan pada LCD berukuran 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 20. Port yang digunakan untuk LCD pada ATMega8535 adalah PORTD.

Hasil pengukuran film BST sebagai sensor suhu dilakukan di dalam

furnace dengan kondisi suhu 30 oC, 35 oC, 40 oC, 45 oC yang ditunjukkan pada Tabel 3. Perbedaan suhu yang terukur antara furnace dan sensor suhu film BST dikarenakan pengaruh dari persamaan linear yang dimasukan ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Dari pengukuran film BST sebagai sensor suhu didapat nilai ketepatan (presisi) sebesar 99,58%.

Gambar 20. Tampilan suhu yang terukur oleh film BST.

Tabel 3. Hasil pengukuran sensor suhu film BST. Suhu (oC) Sensor suhu film BST (oC) Perbedaan Suhu (oC) 30 30,78 0,78 35 34,92 0,08 40 39,87 0,13 45 45,23 0,23 Simpulan

Telah berhasil membuat sensor suhu berbasis bahan ferroelektrik film BST yang berbantukan mikrokontroller ATMega8535 dengan tingkat sensitivitas, akurasi, dan presisi yang tinggi. Dengan demikian film BST dapat digunakan sebagai sensor suhu untuk membaca perubahan lingkungan (dalam hal ini perubahan suhu).