APLIKASI TEKNOLOGI MIKRO-MESIN PADA SENSOR
TEKANAN
Dwi Meliyani1, Erika Diana Rizanti1, Kuntari Winarsih1, Guntur Krisna Putra1, Noviani Prima1, Didik Ariwibowo2
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
dwi.meliyani@yahoo.com, erikadiana.rizanti@gmail.com, kuntari.winarsih20@gmail.com, guntur_guysuck@yahoo.com, novianiprima_n@yahoo.com, aribowo82@yahoo.co.id
ABSTRAK
Baru – baru ini sensor tekanan kapasitif MEMS mendapatkan lebih banyak kelebihan dibanding sensor tekanan piezoresistif micro-mesin karena sensitivitas tinggi, konsumsi daya yang rendah, bebas dari efek suhu, kompatibilitas IC, dll. Aplikasi spektrum sensor tekanan kapasitif meningkat, Spektrum tekanan kapasitif aplikasi sensor meningkat, karena itu sangat penting untuk meninjau jalur perkembangan teknologi dan cara pandang lebih lanjut dari sensor tekanan kapasitif micro - mesin. Makalah ini berfokus pada tinjauan berbagai jenis prinsip sensor tekanan kapasitif, material MEMS digunakan dalam fabrikasi, prosedur yang diterapkan di microfabrication untuk silikon dan polimer material yang diafragma, ikatan dan teknik kemasan yang digunakan. Dipilih hasil pada sensitivitas kapasitif, pengaruh suhu pada sensitivitas kapasitif juga disampaikan. Akhirnya, perkembangan sensor pintar didiskusikan. Kata kunci : Sensor tekanan kapasitif MEMS, Sensor Tekanan, Mikro – mesin, MEMS (Micro Electro Mechanical System)
ABSTRACK
Recently MEMS Capacitive Pressure Sensor gains more advantage over micromachined piezoresistive pressure sensor due to high sensitivity, low power consumption, free from temperature effects, IC compatibility, etc,. The spectrum of capacitive pressure sensor application is increasing, hence it is essential to review the path of technological development and further prospective of micromachined capacitive pressure sensor. This paper focuses on the review of various types of capacitive pressure sensor principle, MEMS materials used in fabrication, procedures adopted in microfabrication for silicon and polymer material diaphragm, bonding and packaging techniques used. Selected result on capacitive sensitivity, effect of temperature on capacitive sensitivity was also presented. Finally, the development of smart sensor was discussed.
Keyword : MEMS Capacitive pressure sensor, pressure sensor, MEMS (Micro Electro Mechanical System)
I. PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang
MEMS (Micro-Electro Mechanical System) diindikasi sebagai salah satu teknologi yang menjanjikan pada abad
yang berbasis micro-system memiliki potensi besar secara dramatis mengubah kehidupan manusia dan cara manusia hidup.
Salah satu aplikasi dari teknologi MEMS adalah sensor tekanan. Dari hari ke hari aplikasi sensor tekanan terus merambah dari bidang komersir, otomotif, automobile, industrial, medikal hingga aerospace.
Mengingat sensor tekanan yang sangat menarik dan hampir dapat diaplikasikan diberbagai bidang, maka dalam makalah ini akan membahas aplikasi teknologi mikro-mesin pada sensor tekanan. Prinsip kerja sensor tekanan MEMS juga akan dibahas mengingat prinsip yang sederhana ini muncul berbagai alat yang menarik dan dapat memberikan kemudahan dan perangkat terintegrasi yang berukuran kecil atau sebuah sistem yang menggabungkan komponen mekanik dan elektrik. MEMS diproduksi dengan menggunakan teknik dan proses fabrikasi IC(Integrated Circuit), memiliki ukuran yang berkisar antara beberapa mikrometer hingga milimeter. Perangkat atau sistem ini memiliki kemampuan untuk sense, control dan aktuator pada sakala mikro dan menghasilkan efek skala makro.
MEMS merupakan akronim yang berasal dari Amerika Serikat, di Eropa disebut juga MST (Microsystem Technology), dan di Jepang disebut Micro-machines. Fabrikasi perangkat elektronik MEMS menggunakan teknologi IC,
sementara itu komponen
mikromekaniknya dibuat dengan menggunakan maipulasi silikon dan substrat lain yang secara canggih difabrikasi menggunakan proses-proses mikro-mesin. Proses mikro-mesin dan HARM (High Aspect Ratio
Micromachining) secara selektif
menghapus bagian dari silikon atau menambahkan lapisan struktural untuk membentuk komponen mekanis dan elektromekanis. Jika IC dirancang untuk mengekploitasi sifat listrik dari silikon, MEMS mengambil keuntungan dari sifat mekanik silikon, atau kedua sifat elektrik dan mekanik dari silikon.
Dalam bentuk yang paling umum, MEMS terdiri dari mechanical
microstructures, microsensors,
microactuator, dan microelectronics yang semuanya terintegrasi pada silikon chip yang sama.
Microsensor mendeteksi perubahan
sistem atau lingkungan dengan pengukuran mekanik, termal, magnetik, kimia, informasi dan memberikan sinyal kepada
microactuator untuk bereaksi dan
memberikan beberapa bentuk perubahan lingkungan.
berkembang lebih jauh dibandingka IC microchips.
II.2 Definisi dan Klasifikasi
Pada bagian ini akan dijelaskan mengeai terminologi dan klasifikasi yang berhubungan dengan MEMS.
Gambar
2.1 Klasifikasi
Microsystem Technologi (MST)
Micro-optoelectromechanical System
(MOEMS) juga merupakan bagian dari MST yang dibentuk dengan menggunakan MEMS yang secara khusus menggunakan teknologi miaturisasi yang merupakan kombinasi optik, elektronik, dan mekanik. Kedua mikcrosistemnya menggabungkan penggunaan teknik Microelectronic Batch Processing.
II.2.1 Transducer
Transducer merupakan perangkat yang mengubah dari suatu bentuk sinyal atau energi ke dalam bentuk yang lain. Maka dari pada itu transducer dapat digunakan pada sensor ataupun aktuator, dan transducer sering dan biasa digunakan pada MEMS.
II.2.2 Sensor
Sensor merupakan perangkat yang dapat mengukur informasi dari lingkungan sekitar da memberikan keluaran berupa sinyal elektrik sebagai respon dari
parameter yang diukur. Berikut adalah domain energi dari perangkat MEMS :
1. Mechanical – force, pressure, velocity, acceleration, position
2. Thermal – temperature, entropy, heat, heat flow
3. Chemical – concentration,
composition, reaction rate
4. Electrical – voltage, current, charge, resistance, capacitance, polarization.
II.2.3 Aktuator
Aktuator merupakan sebuah perangkat yang mengubah sinyal elektrik menjadi gerak atau tindakan. Aktuator dapat menciptakan gaya untuk menggerakka dirinya sendiri, perangkat mekanik lain, atau lingkungan sekitar untuk menciptakan sejumlah fungsi yang berguna.
II.3 Peranan MEMS dalam Sistem Pengukuran
Perangkat berbasis MEMS
memainkan peran berharga dan penting dalam dunia sensor, pada aplikasi pengukuran variabel fisik. Kunci dari sensor MEMS adalah sebagai berikut: 1. Tekanan : dengan sensor MEMS
mewakili lebih dari 90% unit dan 50% dari pendapatan
2. Kecepatan : dengan sensor MEMS mewakili lebih dari 95% unit dan 25% dari pendapatan
3. Laju : dengan sensor MEMS mewakili lebih dari 95% unit dan 75% dari pendapatan
4. Gaya : dengan sensor MEMS mewakili lebih dari 20% unit dan 5% dari pendapatan
tahun 2003, volume sensor tekanan yang dihasilkan mendekati 200 juta unit, dengan otomotif (kebanyakan model mobil canggih menggunakan lebih dari 10 sensor tekanan) dan medis (terutama sensor tekanan darah sekali pakai) pada pasar mendominasi.
Sensor percepatan dan gyro berbasis MEMS dikembangkan untuk militer dan pasar Aerospace pada 1970-an. Pada tahun 2003, lebih dari 100 juta unit yang diproduksi dan didominasi oleh aplikasi otomotif airbag.
Sensor laju MEMS dikembangkan pada tahun 1990-an, pertama untuk militer, dan kemudian untuk aplikasi otomotif. Pada tahun 2003, terjual sekitar 2 juta unit. pemakaian terbesar adalah otomotif (kontrol stabilitas dan GPS) dan konsumen (kamera dan GPS ponsel), dengan potensi 10 juta sensor laju tahun 2010.
Pasar utama untuk sensor gaya silikon skala rumah, menyerap jutaan perangkat.
Sensor MEMS berkembang pada aplikasi berikut ini:
1. Infrared 2. Aliran 3. Kimia 4. Biologi
II.4 Prinsip yang Digunakan Sensor MEMS
Teknologi penginderaan utama yang dapat diterapkan pada MEMS adalah sebagai berikut:
1. Piezoresistive 2. Capacitive 3. Resonant 4. Thermoelectric
Efek piezoresistive (Smith, 1954) pada silikon menghasilkan perubahan resistansi kira – kira 2 kali lipat lebih besar bila dibandingkan dengan perubahan yang akan dihasilkan dari perubahan ukuran dibawah tekanan yang diterapkan
(karakteristik logam). Sebagai contoh, jika material yang memanjang 0,1% dari peregangan, resistor logam yang biasa digunakan untuk pengukur regangan akan berubah sekitar 0,2%, namun resistansi dari silikon akan berubah sekitar 10%. Sensor piezoresistif banyak di aplikasikan pada tekanan, percepatan, dan gaya. Biasanya, Piezoresistor terhubung pada konfigurasi jembatan Wheatstone untuk mengurangi kesalahan suhu. Gambar 2.2 adalah contoh sederhana dari sebuah sensor piezoresistance.
Gambar 2.2 Skema Sensor Piezoresistor
Sensor kapasitif memiliki setidaknya satu elektroda yang bergerak di bawah variabel masukan, yang biasanya akan menjadi tekanan, percepatan, atau laju. Sementara konfigurasi yang paling sederhana adalah dua kapasitor elektroda pipih, yang terhubung dengan jari-jari silikon (gambar 2.3), yang disebut sebagai sensor inersia, karena memungkinkan untuk sensor kapasitas yang lebih besar.
resonansi (mirip dengan senar gitar), memungkinkan untuk mengukur variabel masukan seperti tekanan, percepatan, laju, dan temperatur. Frekuensi resonansi dapat digunakan untuk teknologi sensor.
sensor thermoelectric MEMS didasarkan pada sejumlah besar termokopel kecil yang dihubungkan secara seri. Sensor tersebut terutama digunakan untuk mengukur radiasi inframerah. Salah satu ujung termokopel terletak di atas daerah termal yang terisolasi dari chip, ujung lainnya menyalurkan silikon. Sebagai respon terhadap radiasi, ujung termal yang diisolasi dari thermocouple menjadi lebih panas yang memungkinkan pengukuran daya inframerah.
Pendekatan yang muncul untuk kedua sensor MEMS kimia dan biologi didasarkan pada teknologi tabung nano karbon, yang ditunjukkan oleh perusahaan Silicon Valley; dimana memiliki potensi besar untuk menciptakan pasar baru untuk lebih banyak lagi sensor MEM
III. PEMBAHASAN
III.1 Sensor Tekanan MEMS
Sensor tekanan memiliki hubungan yang erat dengan force sensor. Pada sensor tekanan elemen utamanya selalu berupa membran. Sensor tekanan yang konvensional menggunakan membran yang terbuat dari logam (metal). Sebuah terobosan berhasil diciptakan pada awal 1980-an ketika micromechanics diperkenalkan dan metal membran digantikan oleh (monocrystalline) membran silikon, dimana kombinasi ukurannya yang kecil, elastisitas yang tinggi, dan kepadatan yang rendah dari silikon dengan frekuensi yang beresonansi tinggi. Sensor tekanan silikon yang pertama berdasarkan pada pembacaan mekanik piezoresistif. Hingga saat ini
adalah kompleksivitasnya dalam proses fabrikasi dimana biasanya dibutuhkan
vacum sealing. Biasanya elemen bergetar
terintegrasi pada sebuah deflecting
membrane yang dapat menimbulkan
permasalahan dari sisi coupling mekanik antara resonantor dan membran.
III.2 Prinsip Kerja
Pada gambar 3.1 ditunjukkan beberapa contoh dari bulk mikro – mesin sensor tekanan piezoresistif. Resistor bisadidifusikan pada membran atau dideposisi di atas membran dengan lapisan isolasi intermediate (biasanya SiO2). Membran di etching dari belakang wafer , biasanya memiliki ketebalan puluhan mikrometer. Etching berdasarkan waktu memiliki beberapa kelebihan yaitu membran tidak membutuhkan doping boron.
Gambar 3.1 Kanan : Bulk Micromachine
Piezoresistive, Tengah : Proses NMOS, Kanan : Proses CMOS
Bagaimanapun juga kemampuan untuk memproduksi dengan ketebalan membran rendah. Etching dengan melibatkan boron memberikan kontrol yang baik terhadap pengendalian ketebalan membran. Bagaimanapun tingkat doping yang tinggi melarang penggunaan difusi strain gauges. Maka dari itu
electrochemical etching sering
menggunakan membran dopingan yang lebih ringan. Karena membran di-etching dari belakang wafer yang sangat memungkinkan dengan standar proses IC fabrikasi. Contoh dari sensor dengan
menggunakan on-chip elektronik dikembangkan oleh Toyota, mereka mengkombinasikan sensor tekanan piezoresistif dengan sebuah rangkaian bipolar untuk menghasilkan kompensasi temperatur dan untuk mengubah tegangan keluaran kedalam sebuah frekuensi yang mana lebih mudah di koneksikan dengan rangkaian elektronika. Gambar 3.1 Tengah menunjukkan penampang skematik yang terakhir, dimana sebuah penguat operasional NMOS terintegrasi dengan sensor untuk amplifikasi dan kompensasi suhu sinyal strain gauge. Diusulkan dikombinasi dengan proses CMOS standar. Dalam hal ini sirkuit CMOS diwujudkan dalam tipe-n lapisan epitaxial seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.1Kanan.
Sensor tekanan mikro berkerja berdasarkan prinsip mekanik. Melengkungnya diafragma yang terbuat dari lembaran silikon tipis (membran) yang bersinggungan dengan tekanan gas atau udara.
Gambar 3.2 (a) Kiri : Sisi belakang diberi tekanan, (b) Kanan : Sisi depan diberi
tekanan
saja memiliki ukuran yang jauh lebih kecil (μm), namun piezoresistor ini memiliki sensitifitas dan resolusi yang jauh lebih tinggi.
III.3 Sensor Tekanan Kapasitif
Dengan menggunakan perubahan kapasitansi, cara ini biasanya digunakan apabila berhubungan dengan temperature tinggi.
Gambar 3.3 Diagram Skematik Sensor Tekanan Kapasitif
Sensor tekanan mikro machine lebih kecil dari jenis sensor tekanan lainnya. Diafragma berbasis sensor yang dirancang untuk mengukur karakteristik diafragma yang dideformasi karena tekanan yang diterapkan. Gambar 3.4, menggambarkan penampang skematik dari sensor tekanan diafragma yang umum. Tekanan referensi bisa menjadi ruang tertutup atau port tekanan, sehingga tekanan absolut atau pengukur diukur masing-masing. Bentuk diafragma dilihat dari atas adalah sembarang, tetapi umumnya berbentuk persegi atau lingkaran. Bentuk-bentuk ini
berperilaku sama untuk tekanan yang diberikan.
Gambar 3.4 Macroscopic sensor tekanan : (a) simple diaphragm (b) corrugated diaphragm (c) capsule (d) capacitive sensor (e) bellows (f) Bourdon tube (g)
straight tube
III.4 Aplikasi Sensor Tekanan MEMS
1. Automotif
Pada mobil digunakan beberapa jenis sensor tekanan, yang berfungsi memonitoring tekanan.
a. Tire Pressure
Digunakan untuk memonitoring takanan pada ban. Dengan cara membaca tekaa dan memancarkannya melalui transmitter lalu dibaca oleh receiver.
Gambar 3.5 Cara Kerja Tire Sensor
b. Fuel Pressure
Digunakan untuk memonitoring tekanan bahan bakar.
c. Oil Pressure
Digunakan untuk memonitoring tekanan oli
2. Marine Vehicle
umpan balik dari garis lateral, ikan mampu mendeteksi mangsa, belajar, menghindari rintangan dan mendeteksi struktur aliran pusaran air. Tersusun dari dua komponen, komponen pertama terletak di dalam kanal di bawah kulit ikan, dan komponen kedua terletak di bagian luar, garis lateral bekerja dengan cara yang mirip dengan susunan dari perbedaan sensor tekanan. Dengan sebuah usaha untuk meningkatkan kepekaan situasi dan lingkunagn pada kendaraan laut, lateral-line menginspirasi pengembangan sensor tekanan yang meniru kemampuan sensor ikan. Tiga susunan sensor tekanan yang fleksibel dan tahan air difabrikasi untuk digunakan sebagai susunan permukaan “smart skin” pada kendaraan laut. Dua susunan sensor didasarkan pada penggunaan die sensor piezoresistif yang tersedia secara komersil, dengan inovasi skema packaging menciptakan fleksibilitas dan pengoperasian di bawah laut. Sensor menggunakan liquid crystal polymer dan PCB substrat yang fleksible dengan rangkaian metalik dan enkapsulasi silikon. Sensor yang ketiga menggunakan material nano composite yang baru yang memungkinkan untuk fabrikasi dan menghasilkan sensor yang fleksibel. Ketiga sensor tersebut ditempelkan pada permukaan lekukan lambung kapal. Dan ketiga sensor menghasilkan monitoring yang akurat dan dinamis.
3. Medical
Teknologi dibutuhkan untuk membuat sensor tekanan yang digunakan untuk kepentingan medis yang membutuhkan keahlian membuat alat yang memiliki akurasi pada tekanan rendah. Pada pasar medis jutaan pressure sensor digunakan pada peralatan yang murah dan sekali pakai, seperti kateter yang digunakan
untuk pembedahan atau monitoring tekanan darah.
Namun Pressure sensor juga dapat ditemukan diperalatan yang berharga mahal, seperti berikut :
a. Cardio MEMS, sensor tekanan pembengkakan pembuluh darah
Gambar 3.6 peletakan MEMS aneurysm sensor tekanan pada aorta
Memonitoring stent graft aorta. Tekanan pada membrane lubang mikro, memberikan hasil berupa perubahan frekuensi resonansi pada sensor. Sinyal diperkuat dengan energy RF, yang disediakan oleh antenna external. Enkapsulasi menggunakan campuran antara silica dan dilikon, dan dikelilingi oleh PTFE kawat titanium yang dilapisi nikel.
Gambar 3.7 Bentuk Sensor Tekanan aneurysm MEMS
Gambar 3.8 Contoh
penggunaan CPAC
Continuous positive airway pressure (CPAC) merupakan mesin yang digunakan untuk merawat sleep apnea (merupakan sebuah kondisi yang berhubungan dengan tekanan darah tinggi, masalah berat badan dan
jantung). Pada mesin CPAC jalan udara dipaksa menggunakan aliran udara bertekanan kedalam tenggorokan, sementara keluaran dari sensor mengurangi aliran tekanan pada saat pasien mengeluarkan udara dari paruparu, yang dapat mengurangi rasa tidak nyaman karena pasien tidak perlu malawan mesin.
Pada tahun 2015 juga ada pressure sensor yang berpotensi untuk dapat ditanamkan ke tubuh pasien (implant), yang dioperasikan tanpa baterai. Ada beberapa sensor yang sudah diaplikasikan seperti sensor yang digunakan untuk mengukur gejala penyangkit jantung, dan yang digunakan untuk memonitor glaucoma pada mata.
Saat ini pasar benar-benar memberikan permintaan yang sangat signifikan terhadap alat yang dapat diimplankan, contohnya sensor gejala penyakit jantung yang memungkinkan pasien dipantau dari rumah oleh dokter
mereka, dan alat ini berguna untuk mengurangi biaya untuk test(check up) berulangg kali di rumah sakit.
4. Industri a. Switches
Ketika ada aliran arus secara otomatis membrane yang terbuat dari metal akan tertekan ke bawah dan mempersempit jarak (gap) antara elektroda.
Gambar 3.9 Cara kerja switch dengan sensor tekanan
b. Sensor Tekanan Barometik
Digunakan pada tunnel (terowongan) angin untuk memonitoring cuaca.
Gambar 3.10 Sensor Tekanan Barometik
c. Smart Road
menjadi jalan dan mentransmisikan informasi mengenai kondisi jalan. d. Smart Dust
Smart dust merupaka sebuah jarigan dari wireless sensor tekanan MEMS yang berukuran mikro yang berkomunikasi satu sama lain melalui transmitter berukuran kecil. Sensor smart dust dapat disebarkan disekitar gedung, atau pada alas jalan.
IV. KESIMPULAN
Pada makalah ini kesimpulan yang dapat diambil adalah sebagai berikut : 1. Sensor tekanan MEMS merupakan
kombinasi silikon berbasis teknologi microelectronika dengan teknologi micro – mesin.
2. Sensor tekanan MEMS menggunakan membran tipis dengan gas yang dikurung atau lubang yang diisi oleh gas pada salah satu sisi membran dan tekaan yang harus diukur di satu sisi lainnya.
3. Sensor tekanan piezoresistif memberi keuntungan berupa berupa kemudahan dalam fabrikasi, sinyal keluaran sudah dalam voltage. Sedangkan kekurangannya adalah memiliki sensitivitas rendah dan kurang akurat pada perbedaan tekanan yang rendah. 4. Sensor tekanan kapasitif memiliki
kelebihan tidak mudah terpengaruh suhu, sehingga dapat dijalankan pada suhu tinggi, konsumsi daya luar biasa rendah.
5. Aplikasi sensor tekanan pada beberapa bidang yaitu, automotif (tire pressure, oil pressure, fuel pressure, dan marine vehicle), industri (switches, sensor tekanan barometik, smart road, smart dust), dan medis (Sensor tekanan Cardio MEMS aneurysm dan CPAC (continuous positif airway pressure)) yang menarik minat pasar.
DAFTAR PUSTAKA
[1] https://www.academia.edu/6102707/ TRT_mems_pressure_sensor_12210 09_thursy (di akses: 29/11/2014 12:21)
[2] http://eu.wiley.com/legacy/wileychi/ hbmsd/pdfs/mm573.pdf (di akses : 29/11/2014 12:21)
[3] http://www.utwente.nl/ewi/tst/educat
ion/el-bach/mandt/extra/background/mems _sensors.pdf (di akses : 30/11/2014 11.08)
[4] http://www.enggjournals.com/ijet/do cs/IJET13-05-03-198.pdf (di akses : 30/11/2014 11:08)
BIODATA PENULIS
1. Nama : Dwi Meliyani NPM : 3332090009
e-mail : dwi.meliyani@yahoo.com 2. Nama : Erika Diana Rizanti
NPM : 3332103547
e-mail :
erikadiana.rizanti@gmail.com 3. Nama : Kuntari Winarsih
NPM : 3332103536
e-mail :
kuntari.winarsih20@gmail.com 4. Nama : Guntur Krisna Putra
NPM : 3332100984
e-mail : guntur_guysuck@yahoo.com 5. Nama : Noviani Prima
NPM : 3332103537
