7
Mikrofabrikasi Elektroda untuk Aplikasi Deteksi Konsentrasi [H
+] dengan
Teknologi Lapisan Tebal
Aminuddin Debataraja
1*, dan Robeth V. Manurung
21.Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia 2. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, LIPI, Bandung 40135, Indonesia
*E-mail: adebataraja@yahoo.com
Abstrak
Fungsi dari sensor pH adalah untuk menentukan derajat keasaman atau kebasaan dari suatu larutan. Pengukuran dan pengendalian nilai pH adalah sangat penting untuk berbagai studi dalam bidang kimia dan biologi di laboratorium dan berbagai bidang industri. Metode pengukuran pH dapat dilakukan secara konvensional yaitu dengan menggunakan kertas lakmus dan elektroda gelas, namun hal ini memiliki tingkat akurasi hasil pengukuran yang rendah, mudah pecah dan tidak kompatibel dengan alat ukur/sensor lain. Seiring dengan perkembangan teknologi microfabrication, saat ini dimungkinkan untuk membuat sebuah sistem alat ukur yang dapat mendeteksi berbagai parameter secara simultan, akurat, dan berukuran kecil. Dalam tulisan ini dibahas proses pembuatan sensor pH menggunakan teknologi thick film (screen priting). Elektroda referensi yang digunakan adalah perak-perak klorida (Ag|AgCl) sedangkan untuk elektroda indikator digunakan bahan antimoni (Sb). Hasil percobaan terhadap pH buffer 2, 4, 7, dan 9 menunjukkan elektroda antimoni sensitif terhadap perubahan pH dengan response -57,2 mV/pH.
Abstract
Mikrofabrikasi Electrode Application for Detection of Concentration [H +] with Thick Film Technology. The pH
electrode is used to measure the acidity or alkalinity of solutions. Measurement and control of the value of pH is important in numerous chemical and biological studies in the laboratories and industries. Over the past few years, methods of measurement of pH have been based on conventional means, raging from the use of ‘lacmus’ paper to glass electrodes. Such means has been known for lack of accuracy, robustness, and compatibility with other sensing elements. With the advancement in microfabrication technology, however, it is now possible to construct an analytical system, which is not only capable of simultaneously detecting multiple parameters, but also small size and accurate. In this paper, design and fabrication of pH sensor using screen printing techniques is described. Indicator electrode used was a pressed pellet antimony electrode (Sb2O3) and the reference electrode used was a silver-silver chloride (Ag|AgCl). The antimony (Sb) electrode showed good sensitivity to pH in the range of pH 2 to pH 9 and exhibited responses -57.2 mV/pH.
Keywords: elektroda referensi, sensor pH, screen printing, thick film
1. Pendahuluan
Penelitian teknologi sensor sampai saat ini masih merupakan suatu topik yang sangat luas dan bersifat multi disiplin ilmu, dimana perkembangan teknologi sensor mengikuti kemajuan teknologi mikroelektro-nika. Trend penelitian tentang sensor saat ini adalah berupa miniaturisasi sistem sensor, pembuatan sensor
array, multi-sensor dan pembuatan sistem sensor yang smart atau inteligent [1-2]. Adapun aplikasi sensor dapat
ditemui dalam banyak peralatan konsumen, otomotif,
laboratorium, pengelolaaan lingkungan, konservasi energi, pabrikasi, industri, kedokteran, pertambangan, pertanian, dan sebagainya. Aplikasi sistem sensor ini masih dan akan terus berkembang sesuai dengan kebutuhan. Namun, sensor yang ada saat ini dipasaran hampir semuanya adalah produksi luar negeri (import). Oleh karena itu penguasaan teknologi sensor ini sangat diperlukan mengingat aplikasinya yang terus berkembang dan pemenuhan kebutuhan sensor di dalam negeri masih diimpor.
Sensor pH digunakan untuk menentukan derajat keasaman atau kebasaan dari suatu larutan. Pengukuran dan pengendalian pH adalah sangat penting untuk berbagai studi kimia dan biologi di laboratorium dan berbagai bidang industri [3-4]. Pada umumnya jenis sensor pH yang banyak digunakan terbuat dari bahan gelas yang memiliki ukuran yang relatif besar, memiliki tahanan dalam yang sangat besar dalam orde Mega-Ohm dan mudah pecah bila terjatuh atau terbentur. Berbagai usaha telah dilakukan untuk miniaturisasi sensor pH dengan menggunakan teknologi monolitik dan teknologi film tanpa mengubah fungsinya agar dapat lebih menghemat ruang dan biaya. Seiring dengan perkem-bangan teknologi mikroelektronika saat ini, teknik
microfabrication dapat digunakan secara efektif untuk
pembuatan sensor elektro-kimia seperti sensor pH [5-7]. Pada tulisan ini dibahas proses pembuatan sensor pH menggunakan teknologi film tebal (screen priting) yang terdiri dari elektroda referensi dan elektroda indikator dalam bentuk pellet berdiameter 1,5 mm. Untuk elektroda referensi digunakan bahan Silver-silver clhoride (Ag|AgCl) sedangkan untuk elektroda indikator digunakan bahan antimoni (Sb). Penelitian ini merupakan bagian dari pembuatan multi-sensor untuk pemantauan kualitas air di Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI [8].
2. Metode Penelitian
Teknologi film tebal (TFT) merupakan salah satu bagian dari teknologi proses mikroelektronika untuk fabrikasi komponen komponen elektronika secara
screen-printing. Sejak petengahan tahun 1960,
teknologi proses film tebal telah digunakan untuk meminiaturisasi suatu rangkaian elektronika ke dalam sebuah keping substrate, karena kemampuannya menghasilkan jalur konduktor yang sangat kecil (fine
line) [9-11]. TFT telah banyak digunakan secara luas
dalam industri komponen hibrid mikroelektronika dan diaplikasikan dalam berbagai bidang, seperti otomotif, telekomunikasi, medik, dan pengembangan sensor dan aktuator. Material utama yang digunakan dalam teknologi film tebal adalah substrat alumina (Al2O3) dan pasta. Substrat merupakan media tempat komponen film tebal diimplementasikan, sedangkan pasta adalah bahan pembentuk komponen film tebal, yang diformulasikan sedemikian rupa sehingga dapat dibentuk melalui proses pencetakan. Proses film tebal (thick film process) terdiri dari beberapa tahap yang meliputi pembuatan screen, pencetakan (printing), pengeringan (drying), pembakaran (firing), trimming dan sejumlah proses tambahan lain seperti proses pemasangan kaki (lead
frame) dan pengemasan (enkapsulasi).
Keasaman atau kebasaan dari suatu larutan ditentukan oleh konsentrasi ion hidrogen atau persentase ion
hidrogen yang terdapat dalam larutan. Terdapat dua definisi tentang nilai pH. Definisi pertama adalah definisi teoritis yang menyatakan bahwa nilai pH merupakan negatif logaritma basis sepuluh dari aktivitas ion hidrogen.
pH = - log aH+ (1) Definisi kedua adalah definisi praktis yang merupakan hasil dari pengukuran dengan elektroda pH. Dua buah elektroda yang direndam dalam sebuah larutan menghasilkan beda tegangan yang terukur. Dengan syarat bahwa sebuah elektroda (elektroda referensi) selalu menghasilkan potensial konstan dan potensial dari elektroda kedua (elektroda indikator) adalah fungsi dari nilai pH. Pengukuran tegangan dapat dilakukan menggunakan persamaan Nernst:
) ( 1 log 303 , 2 + − = H o a F RT E E (2) dengan,
R = Konstanta gas umum (8,3145 J/(K*mol)) F = Konstanta Faraday (96485 C/mol)
E0 = Potential elektroda acuan (mV) T = temperature (K)
Dari Pers. (2) secara jelas menunjukkan bahwa tegangan yang diukur memiliki hubungan linier pada nilai pH. Dalam pengukuran praktis, beda potensial E dikonversikan kedalam nilai pH sebagai data kalibrasi. Pengukuran nilai pH juga tergantung pada suhu dari larutan yang diukur. Pada umumnya, konfigurasi pH meter terdiri dari elektroda gelas, elektroda referensi, dan sebuah penguat dc yang memiliki tahanan dalam yang sangat besar (orde Mohm), namun ada juga yang dilengkapi dengan sensor temperatur sebagai faktor koreksi.
Sebagai pengganti elektroda gelas bahan tungstens (W2O3) yang selama ini banyak digunakan, bahan antimoni (Sb2O3) telah dipakai di laboratorium sebagai elektroda pH [12-13]. Penggunaan elektroda antimoni bagi pengukuran pH telah diperkenalkan oleh Nilson dan Edwall [12]. Proses elektroda ini diformulasikan sebagai berikut:
Sb2O3 + 6H+ + 6e- ↔ 2Sb + 3H2O (3) Salah satu keunggulan dari elektroda antimoni adalah memiliki resistansi dalam yang sangat rendah sehingga dimungkinkan untuk digunakan dalam instrumen pengukuran pH yang cepat. Saat ini penggunaannya terbatas pada aplikasi yang mana elektroda gelas tidak sesuai. Kemiringan elektroda antimoni adalah antara 52 ke 57 mV/pH pada suhu 25 oC, tergantung pada konfigurasinya. Akurasinya dipengaruhi oleh sejumlah parameter dan umumnya ± 0,15 pH.
Sel potensiometri terdiri atas salah satu sel setengah yang disebut potensial acuan dan potensial sel setengah lainnya menunjukkan konsentrasi larutan. Elektroda referensi idealnya memiliki potensial yang stabil sehingga segala perubahan yang terjadi pada Esel disebabkan oleh elektroda indikator akibat terjadinya perubahan pada konsentrasi larutan. Menurut Oehme [14], kebutuhan sistem referensi meliputi: a) kestabilan potensial (potential stability) (< ±0,1 mV), b) kemampuan mengulang potensial (±0,5 mV), c) kestabilan suhu (temperature stability), d) resiko minimal sistem referensi dari keracunan larutan uji, e) mudah dalam perawatan (easy maintenance)
Elektroda referensi yang umum digunakan adalah elektroda perak-perak klorida, yang didasarkan pada pasangan redoks antara AgCl dan Ag.
AgCl(s) + e- ↔ Ag(s) + Cl-(aq) (4) Desain dan Fabrikasi Sensor pH: Tahapan Proses Pembuatan Sensor pH. Proses pembuatan sensor pH
terdiri dari beberapa tahap yaitu desain tata letak dari elektroda, penyiapan substrate, persiapan screen, pembuatan masker, pencetakan jalur konduktor dan enkapsulasi, pengeringan (drying), pembakaran (firing) dan membuat pellet untuk elektroda indikator dan referensi. Tahapan desain meliputi pemilihan bahan, menentukan bentuk geometris dan ukuran sensor, serta pembuatan masker. Ada dua masker yang digunakan
Gambar 1. Tahapan Pembuatan Sensor pH
yaitu: masker untuk jalur konduktor, lapisan isolasi. Pencetakan (printing) dilakukan dengan menggunakan mesin screen printer Accu-coat 3230 (Aremco Products Inc.), pengeringan dilakukan dengan laboratory oven National dan pembakaran dilakukan dengan conveyor
furnace (RTC Radiant Technology Corp.). Pengeringan
dilakukan pada suhu 150 oC selama 20 menit dan pembakaran dilakukan pada suhu 850 oC selama 45 menit. Tahapan proses pembuatan sensor pH secara detail bisa dilihat pada Gambar 1.
Dalam mendesain pola tata letak perlu juga diketahui bagian yang terlebih duhulu dicetak menggunakan teknik screen printing. Konduktor merupakan bagian awal yang akan dicetak kemudian ditutupi dengan enkapsulasi. Pada Gambar 2 memperlihatkan urutan proses pembuatan sensor pH dengan menggunakan teknologi film tebal. Sedangkan untuk Gambar 3 memperlihatkan penampang melintang (cross-sectional) dari sensor pH tersebut.
Bahan-bahan yang digunakan pada pembuatan sensor pH ini antara lain untuk substrat digunakan alumina (Al2O3), pasta konduktor tipe ESL-9912A dipergunakan
Gambar 2. Urutan Proses Pembuatan Sensor pH
untuk jalur konduktor dan pasta protective coating tipe ESL 240-SB digunakan untuk lapisan enkapsulasi (coating).
Sehubungan dengan tidak tersedianya antimoni dan perak-perak klorida dalam bentuk pasta, maka tepung (powder) antimoni dan perak dicetak dan ditekan dengan bantuan sebuah jig berbentuk bulat berdiameter 1,5 mm kemudian ditekan dengan sebuah mesin press dengan besar tekanan yang diberikan kepada alat pencetak tersebut sebesar ±75 kg/cm2. Serbuk yang telah tertekan akan membentuk pellet dengan diameter 1,5 mm dan ketebalan ±0,12 mm.
Elektroda referensi yang digunakan dalam penelitian ini adalah elektroda berbahan perak-perak klorida. Langkah awal dalam pembuatan elektroda ini yakni membuat
pellet perak yang selanjutnya adalah melekatkan pellet
tersebut pada ujung jalur konduktor lainnya dengan menggunakan bahan perekat silver conductive. Sedangkan untuk pelapisan perak dengan perak klorida dapat dilakukan dengan proses electroplating. Dalam proses electroplating ini menggunakan larutan elektrolit KCl 3 M dan larutan NaCl 0,1 M dengan menambahkan NaOH 0,1 M hingga mencapai nilai pH = 11. Sebuah batang emas digunakan sebagai katoda. Besar arus yang
(a)
(b)
Gambar 4. (a) Serbuk Antimoni dalam Bentuk Pellet, (b) Jig yang Dipakai untuk Membuat Pellet Antimoni
(a)
(b)
Gambar 5. (a) Proses Electroplating Referensi Elektroda, (b) Hasil Pelapisan Ag|AgCl
Gambar 6. Hasil Akhir Sensor pH
dialirkan ke kedua elektroda ini sebesar 100 µA selama 1 jam dengan jarak kedua elektroda 1 cm. Pada Gambar 5 terlihat hasil pelapisan Ag|AgCl.
Selanjutnya elektroda Ag|AgCl yang berbentuk pellet dilekatkan sepotong selang yang berdiameter sama dengan pellet menggunakan lem silikon. Setelah melekatkan selang pada pellet maka ke dalam selang tersebut diisi gel KCl hingga penuh lalu sensor pH direndam dalam larutan KCl jenuh sebelum digunakan. Gambar 6 merupakan hasil akhir dari pembuatan sensor pH.
3. Hasil dan Pembahasan
Pengujian Elektroda Referensi. Pengujian elektroda
ini menggunakan dua buah elektroda referensi buatan industri sebagai perbandingan. Elektroda pertama (elektroda A) adalah buatan Bioanalytical Systems West Lafayette, In USA model MW2030 dan elektroda kedua (elektroda B) adalah buatan WTW (Wissenschaftlich-Technische Werkstatten Gmbh). Pengujian ini
dilakukan untuk mengetahui apakah kedua elektroda referensi tersebut dalam keadaan baik. Pengujian dilaksanakan dalam larutan KCl 3,5 M dengan elektroda A dihubungkan pada kutub positif voltmeter dan elektroda B pada kutub negatif voltmeter. Berikut hasil pengukuran beda potensial yang ditunjukkan dalam Gambar 7.
Dalam pengujian tersebut memperlihatkan hasil pengukuran beda potensial antara elektroda A dan elektroda B relatif konstan dengan range kesalahan rata-rata adalah:
V
V
V
e
maks av0
,
001
2
min=
±
−
±
=
(5) Dengan demikian kedua elektroda ini layak digunakan dalam berbagai pengukuran selanjutnya.Pengujian Elektroda Referensi Buatan Vs Elektroda A.
Pengujian dilaksanakan dalam larutan KCl 3 M dengan elektroda A pada kutub positif voltmeter dan elektroda referensi buatan pada kutub negatif. Berikut hasil pengukuran beda potensial yang ditunjukkan dalam Gambar 8.
Gambar 7. Grafik Hasil Pengukuran Elektroda A Vs Elektroda B
Gambar 8. Hasil Pengukuran Elektroda Referensi Buatan Vs Elektroda A
Dalam pengujian tersebut memperlihatkan hasil pengukuran beda potensial antara elektroda referensi buatan dan elektroda A relatif konstan dengan range kesalahan rata-rata adalah:
V 0,0015 2 min =± − ± = V V e maks av (6)
dengan demikian elektroda referensi buatan tersebut berfungsi sebagaimana mestinya sehingga dapat digunakan dalam sensor pH film tebal.
Pengujian Elektroda Antimoni. Pengujian ini
dilakukan untuk mengetahui apakah elektroda antimoni yang telah dibuat dapat memberikan respon sesuai dengan yang diharapkan terhadap elektroda referensi buatan (ERB). Pengujian dilaksanakan dalam larutan pH buffer 2, 4, 7, dan 9 dengan elektroda referensi buatan pada kutub negatif voltmeter dan elektroda antimoni pada kutub positif. Berikut hasil pengukuran beda potensial terhadap pH yang ditunjukkan pada gambar 9 dan 10.
Gambar 9 menunjukkan grafik tegangan yang dihasilkan sebagai fungsi pH. Untuk elektroda antimoni memiliki waktu transient sebesar ±5 menit sebelum mencapai keadaan steady state. Besarnya slope kemiringan pada pengujian elektroda antimoni Vs elektroda referensi buatan adalah -0,0572 volt/pH dengan fluktuasi ±0,0038 volt/pH.
Gambar 9. Grafik Pengukuran Elektroda Antimoni Vs ERB
Gambar 10. Grafik Pengukuran pH Elektrod Antimoni Vs ERB
Gambar 11. Grafik Kestabilan Tegangan Elektroda pada pH Buffer 4 Antimoni Vs ERB
Untuk mengetahui tingkat kesetabilan nilai tegangan yang dihasilkan sensor, maka dilakukan pengukuran menggunakan pH buffer 4 hingga hari kelima. Data pengukuran selama lima hari dapat dilihat pada Gambar 11.
4. Simpulan
Proses desain dan pembuatan sensor pH dengan menggunakan teknologi film tebal (thick film) telah berhasil dilakukan. Kemudian dari hasil pengujian dapat ditarik beberapa simpulan sebagai berikut: 1) Hasil pengujian elektroda referensi buatan terhadap elektroda komersial memiliki tegangan yang relatif stabil (±0.15 mV). Dengan demikian elektroda referensi buatan tersebut berfungsi sebagaimana mestinya sehingga dapat digunakan dalam sensor pH; 2) Untuk elektroda indikator, elektroda antimoni memiliki waktu transient sebesar ±5 menit sebelum mencapai keadaan steady
state. Besarnya slope kemiringan pada pengujian
elektroda antimoni Vs elektroda referensi buatan adalah -0,0572 volt/pH dengan fluktuasi ±0,0038 volt/pH. Dalam penelitian ini masih banyak ditemui beberapa kekurangan yang diharapkan pada penelitian selanjutnya dapat lebih disempurnakan. Beberapa hal yang perlu diperhatikan antara lain: 1) Jumlah sample pH buffer perlu diperbanyak agar sensitifitas pH buffer lebih jelas terlihat dan dapat menentukan besarnya
range pengukuran elektroda tertentu; 2) Seluruh
pengujian sebaiknya dilakukan pada suhu ruangan tertentu misalnya 25 oC dan usahakan suhu tersebut konstan hingga akhir pengujian; 3) Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh suhu pada pengukuran pH maka tentunya diperlukan pengujian pada suhu yang berbeda-beda dalam larutan pH buffer tertentu.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan peneliti Bapak Hiskia Ph.D. dari Pusat Penelitian
Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) LIPI yang telah memberikan bimbingan teknis.
Daftar Acuan
[1] V.d. Berg, P. Bergveld, Analytical Methods and Instrumentation, TAS'96 Conference, Basel, 1996. [2] A. Manz, E. Verpoorte, D.E. Raymond, C.S.
Effenhauser, N. Burggraf, H.M. Widmer, In: A.v.d. Berg, P. Bergveld (Eds.), Micro Total Analysis Systems, Mesa-Monograph, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1994, p.274.
[3] D. Harvey, Modern Analytical Chemistry, 1st edition. Mc Graw-Hill Companies, Inc., United State of America, 2000, p.134.
[4] K. Slevogt, Principles of Measuring Techniques", Application Report (CD-ROM), Wissenschaftlich-Technische Werkstätten (WTW) GmbH, 2002. p.112.
[5] R.F. Taylor, J. S. Schultz (Ed.) Electrochemical Sensors: Microfabrication Techniques. Handbook of Chemical and Biological Sensors, Institute of Physics Publishing, Bristol, UK, 1996, p.604. [6] C. Lucat, F. Menil, J.L. Aucouturier, Proc. 3rd Int.
Meeting on Chemical Sensors, Cleveland, Ohio, 1990.
[7] J.K. Atkinson, A.W. Cranny, P.R. Siuda, In: M. Prudenziati (Ed.), Thick Film Sensors, Handbook of Sensors and Actuators, vol. 1, Elsevier, Michigan, 1994, p.471.
[8] Hiskia et al., Proceeding Seminar Nasional Pengembangan Program R&D Mikroelektronika dan Aplikasinya, Bandung, 2003.
[9] M. Haskard, K. Pitt, Thick Film Technology and Applications: Electrochemical Publications, IOM, 2005.
[10] S.J. Pace, J.D. Hamerslag, In: P. G. Edelman, J. Wang (Ed.), Biosensors & Chemical Sensors, American Chemical Society, Washington, DC, 1992, p. 261.
[11] C. Lucat, F. Menil, J.L. Aucouturier, Proc. 3rd Int. Meeting on Chemical Sensors, Cleveland, Ohio, 1990.
[12] F. Nilsson, G. Edwall, Scand. J. Clin. Lab. Invest. 43/6 (1983) A9.
[13] P.W. Alexander, T. Dimitrakopoulos, D.B. Hibbert, RACI 14th Australian Sysmposium on Analytical Chemistry, Adelaide, 1997, p.329. [14] F. Oehme, In: W. Gopel, J. Hesse, J.N. Zemel
(Ed.), Sensors: A Comprehensive Survey, Chemical and Biochemical Sensor, vol. 2, Wiley-VCH, Weinheim, 1991, p.734.
[15] J.G. Webster, The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, CRC Press & IEEE Press, Boca Raton FL, USA, 1999, p.2588.
