73
Mikrotranduser Deteksi Kadar Oksigen Terlarut
Aplikasi Monitoring Kualitas Air
Aminuddin Debataraja
1*, Robeth V. Manurung
2, dan Hiskia
2 1. Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia 2. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, LIPI, Bandung 40135, Indonesia*
E-mail: [email protected]
Abstrak
Dalam artikel ini akan dibahas proses desain dan fabrikasi sensor oksigen terlarut dissolved oxygen (DO) dengan menggunakan teknologi thick film serta tahapan-tahapan proses dalam teknologi screen printing. Metode yang digunakan untuk menentukan konsentrasi dari oksigen terlarut dalam air yaitu metode amperometrik. Metode amperometrik menunjukkan perubahan arus sebanding dengan jumlah oksigen yang bereaksi pada elektroda dengan tegangan potensial eksternal sebesar 800 mV. Hasil uji karakterisasi menunjukkan bahwa prototipe sensor DO yang dibuat menunjukkan kinerja cukup baik, meskipun faktor ripple stabilitas tegangan potensial yang dihasilkan reference
electrode Ag|AgCl berkisar 10 mV, penyempurnaan sensor DO terhadap bentuk lay out dari elektroda-elektroda telah
dilakukan serta hasil uji kestabilan reference electrode meningkat dibandingkan desain awal yaitu berkisar 1 mV.
Abstract
Dissolved Oxygen Mikrotranduser Detection Water Quality Monitoring Applications. The article will discuss the
process of design and fabrication of dissolved oxygen sensors dissolved oxygen (DO) using thick film technology as well as the stages in the process of screen printing technology. The method used to determine the concentration of dissolved oxygen in the water amperometric method. Amperometric method shows current change is proportional to the amount of oxygen that reacts to an external electrode to the voltage potential of 800 mV. Characterization test results showed that the prototype sensor made DO show fairly good performance, although the ripple factor of the stability of the resulting voltage potential reference electrode Ag | AgCl ranges from 10 mV, improvement of DO sensors to lay out the shape of the electrodes has been conducted and the results of the stability of reference test electrode increased compared to earlier designs which range from 1 mV.
Keywords: amperometric, design and fabrication, dissolved oxygen
1. Pendahuluan
Penelitian sensor sampai saat ini masih merupakan suatu topik yang sangat luas dan melibatkan berbagai disiplin ilmu, di mana perkembangan teknologi sensor mengikuti kemajuan teknologi mikroelektronika [1-2]. Kecenderungan penelitian tentang sensor saat ini adalah berupa miniaturisasi sistem sensor, pembuatan sensor
array, multi-sensor dan pembuatan sistem sensor yang
cerdas atau intelligent [3]. Sedangkan untuk aplikasi dari teknologi sensor dapat ditemui dalam banyak peralatan konsumen, otomotif, laboratorium, pengelolaan lingkungan, konservasi energi, pabrikasi, industri, kedokteran, pertambangan, pertanian, dan sebagainya. Aplikasi sistem sensor ini masih dan akan
terus berkembang sesuai dengan kebutuhan. Namun, sensor-sensor yang ada saat ini di pasaran hampir semuanya berupa produksi impor. Penguasaan teknologi sensor ini sangat diperlukan mengingat aplikasinya yang terus berkembang dan kebutuhan sensor khususnya sebagai alat deteksi ataupun pemantauan di dalam negeri masih diimpor, salah satunya adalah sebagai deteksi atau pemantauan kualitas air sungai.Salah satu pengembangan aplikasi dalam bidang pengelolaan lingkungan. Sebagaimana diketahui bersama, bahwa sungai memiliki peranan yang cukup penting bagi masyarakat di pedesaan serta menunjang kehidupan perekonomian masyarakat. Di lain pihak, sungai yang berfungsi sebagai sumber air ini juga berfungsi sebagai tempat pembuangan limbah, sehingga mengakibatkan
pemantauan atau monitoring kualitas air sungai, di mana jenis-jenis sensor dipasang adalah sensor-sensor yang dapat mengukur parameter-parameter yang mewakili kondisi air sungai itu sendiri seperti: pH, temperatur, konduktifitas dan dissolved oxygen (DO). Supaya sensor-sensor tersebut dapat mengukur atau membaca serta menampilkan data hasil pengukuran lebih akurat dan presisi, diperlukan rangkaian pendukung berupa pengolah sinyal (signal conditioners) dan akusisi data (data acquisition) yang mampu melakukan pengolahan data dari sensor tersebut [4-5]. Sebagai Teknologi mikroelektronika yang sudah banyak digunakan dalam pembuatan sensor adalah teknologi film tebal (thick
film) atau dikenal dengan teknik screen printing, dengan
teknologi ini dapat dilakukan miniaturisasi suatu rangkaian elektronika, pembuatan sensor dan mengintegrasikan rangkaian elektronika dengan sensor pada sebuah substrat alumina dengan menggunakan metode screen printing.
Dalam artikel ini akan dibahas dan dijelaskan proses desain dan fabrikasi sensor oksigen terlarut (dissolved
oxygen) dengan menggunakan teknologi thick film serta
tahapan-tahapan proses dalam teknologi screen printing.
2. Metode Penelitian
Sensor Oksigen terlarut (dissolved oxygen) atau
dikenal juga sebagai sensor DO digunakan sebagai istilah atau ungkapan proses pengukuran jumlah konsentrasi oksigen yang terlarut di dalam satuan unit volume air. Keakuratan data mengenai jumlah konsentrasi oksigen yang terlarut di dalam air merupakan suatu hal yang sangat esensial dan penting dalam mengetahui perubahan yang disebabkan oleh fenomena alam maupun aktifitas manusia. Sedangkan sumber dari oksigen terlarut di dalam air ini adalah reaksi atmosfir serta aktifitas fotosintesis dari tanaman air [6-7]. Sensor oksigen terlarut merupakan bagian dari jenis-jenis sensor elektrokimia, di mana reaksi gas oksigen dengan larutan elektrolit menghasilkan sinyal elektrik dengan besaran yang sebanding dengan jumlah konsentrasi oksigen. Bagian-bagian utama dari sensor oksigen terlarut ini adalah: sensing electrode (dikenal juga sebagai working electrode), reference electrode
elektris ke larutan elektrolit sehingga arus dapat mengalir ke working electrode. Selama ini dalam teknologi sensor kebutuhan akan tegangan potensial eksternal sangat dibutuhkan untuk memperoleh tegangan potensial yang stabil dan konstan pada sensing
electrode, namun dalam aplikasinya tegangan potensial
pada sensing electrode tidak dapat konstan dan stabil selama proses elektrokimia berlangsung [10]. Hal ini sangat berpengaruh terhadap performa dari sensor oksigen terlarut tersebut, oleh karena itu digunakan
reference electrode untuk meningkatkan unjuk kerja
dari sensor. Jenis reference electrode yang digunakan adalah perak-perak klorida (Ag|AgCl), calomel (Hg|Hg2Cl2), thalamid (Hg, Tl|TlCl), dan elektroda
mercury sulfate (Hg|Hg2SO4).
Terdapat dua metode yang digunakan untuk mengetahui dan menentukan konsentrasi dari oksigen yang terlarut di dalam air baik itu air permukaan maupun di dalam tanah yaitu metode amperometrik dan galvanic. Metode amperometrik dikenal juga sebagai polarogra-fik atau voltametrik, di mana perubahan arus yang dihasilkan sebanding dengan jumlah oksigen yang bereaksi pada elektroda dengan tegangan potensial eksternal yang digunakan dalam proses ini berkisar 800 mV. Elektroda-elektroda yang banyak digunakan pada metode ini adalah emas (Au), platinum (Pt) atau paladium (Pd) sedangkan larutan elektrolit yang digunakan adalah KCL atau KBr. Metode inilah yang digunakan untuk prinsip kerja sensor DO yang dibuat dalam penelitian ini. Teknologi Mikroelektronika yang meng-gunakan film secara umum dapat dibagi atas dua jenis yaitu, teknologi film tebal (thick film) dan teknologi film tipis (thin film). Pada teknologi film tipis, lapisan pola konduktor dan resistor dibentuk di atas substrat alumina (Al2O3) dengan cara evaporasi, sedangkan pada
teknologi film tebal, lapisan konduktor dan resistor dibentuk di atas alumina dengan metode screen
printing.
Teknologi ini merupakan salah satu dari teknologi yang ada pada mikroelektronika untuk merealisasikan suatu rangkaian elektronika di samping teknologi papan rangkaian tercetak printed circuit board (PCB) dan teknologi rangkaian terintegrasi (IC).
Gambar 1. (a) Struktur Sensor Oksigen Terlarut (b) Prinsip Kerja Sensor DO [12]
Gambar 2. Klasifikasi Teknologi Mikroelektronika [13]
Dewasa ini aplikasi dari teknologi film tebal semakin luas dan hal tersebut meliputi berbagai bidang diantaranya otomotif, komputer, telekomunikasi dan industri. Keunggulan teknologi film tebal dibandingkan dengan PCB antara lain ukurannya yang jauh lebih kecil, serta tahan terhadap temperatur yang cukup tinggi, dan teknologi yang relatif lebih sederhana yang memungkinkan dikembangkan pada skala kecil, sedang maupun besar. 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).
Proses fabrikasi sensor DO diawali dengan pengerjaan desain untuk elektroda-elektroda seperti reference,
working dan counter electrode. Proses desain elektroda
ini menggunakan software computer aided design (CAD) sehingga dimungkinkan untuk miniaturisasi dari elektroda-elektroda tersebut sesuai dengan kemampuan maksimum dari screen printer dalam melakukan proses pencetakan. Gambar 5 merupakan salah satu desain untuk elektroda-elektroda dari sensor DO.
Gambar 3. (a) Desain untuk Working dan Counter
Electrode, (b) Desain untuk Reference
Electrode
Setelah hasil desain tata letak (lay out) dari elektroda sensor DO diperoleh, maka proses berikutnya adalah membuat film negatif dari desain-desain tersebut. Film negatif inilah yang nantinya dengan proses secara direct
photography pada permukaan screen mesh sebagai alat
cetak pola elektroda sensor DO tersebut
Tahap selanjutnya adalah persiapan ba-han-bahan yang akan digunakan dalam fabri-kasi sensor DO tersebut dengan teknik screen printer antara lain, alumina substrat, pasta konduktor dalam hal ini digunakan pasta emas (Au) produk dari Dupont untuk working dan
counter electrode sedangkan untuk reference electrode
digunakan pasta perak (Ag) ESL-9912A produksi dari Electro Science Labora-tories Inc. Sedangkan screen
mesh yang digunakan dalam proses ini berukuran 325
dengan suhu optimum proses firing adalah 850 °C. Setelah bahan-bahan untuk proses pencetakan telah disiapkan maka proses selanjutnya adalah proses pencetakan untuk working dan counter electrode kemudian pencetakan untuk reference electrode. Setelah elektroda-elektroda tersebut dicetak maka dilakukan proses pengeringan dengan menggunakan laboratory
oven dan terakhir dilakukan pembakaran dengan
Mikroelektronik
PCB Film Tebal Film Tipis Bipolar MOS
Gambar 4. Proses Pelapisan untuk Elektroda Ag|AgCl
menggunakan furnace. Proses pembentukan Ag|AgCl untuk reference electrode. Tujuan utama digunakannya
reference electrode adalah sebagai acuan yang
menghasilkan tegangan potensial yang stabil terhadap
working dan acounter electrode. Reference electrode ini
secara langsung kontak dengan larutan elektrolit dan jenis elektroda yang banyak digunakan adalah perak-perak klorida (Ag|AgCl), di mana elektroda ini mudah untuk dibuat serta sanggup bekerja pada rentang temperatur yang lebar. Pada larutan elektrolit KCl, elektroda ini dapat menghasilkan tegangan potensial sebesar 199 mV terhadap elektroda standar hidrogen. Tegangan potensial yang dihasilkan lebih proporsional terhadap konsentrasi chloride seperti sodium chloride, potassium chloride, ammonium chloride atau jenis garam chloride lainnya. Proses pembentukan elektroda Ag|AgCl dilakukan dengan metode electro plating, di mana elektroda perak yang telah dibuat di atas alumina substrat tersebut dilapisi dengan chloride melalui larutan KCl dan elektroda logam mulia seperti emas sebagai katoda. Gambar 4 memperlihatkan proses pelapisan elektroda perak sehingga diperoleh Ag|AgCl.
3. Hasil dan Pembahasan
Proses desain dan fabrikasi sensor DO dengan menggunakan teknologi thick film telah dilakukan sebanyak dua kali. Dari kedua desain sensor DO ini memiliki bentuk lay out elektroda yang berbeda satu sama lain walaupun material yang digunakan sama yaitu emas untuk working dan counter electrode dan perak untuk reference electrode. Pada desain awal, prototipe sensor DO yang dihasilkan telah dilakukan penempelan
gas permeable membrane serta proses karakterisasi
unjuk kerja dari sensor tersebut [13-14].
Hasil uji kestabilan reference electrode Ag|AgCl terhadap reference electrode acuan diperoleh ripple berkisar 10 mV dengan waktu pengamatan selama 1
data tersebut sangatlah memegang peranan penting khususnya dalam pemberian faktor koreksi sehingga meningkatkan tingkat linier sinyal agar dapat diolah ketingkat selanjutnya oleh data akusisi untuk dirubah ke dalam format digital [15].
(a)
(b)
Gambar 5. (a) Prototipe Awal Sensor DO setelah Pelapisan Ag|AgCl; (b) Prototipe Awal Sensor DO dengan Gas Permeable Membrane
0 2 4 6 8 10 12 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 DO (mg/l) ARUS ( u A) KRST I KRST II KRST III KRST IV NILAI RATA2
Gambar 7. Grafik Hasil Karakterisasi Unjuk Kerja Sensor DO
Gambar 8. Prototipe Sensor DO Hasil Penyempurnaan
Gambar 9. Reference Electrode yang Sudah Dilapisi Ag|AgCl
Dari hasil pengujian untuk prototipe sensor DO sebelumnya maka dilakukan penyempurnaan desain serta teknik pelapisan Ag|AgCl untuk sensor DO berikutnya. Di samping itu pula pada desain awal
larutan elektrolit yang ditempelkan pada sensor DO tersebut mudah bocor dan mengering sehingga perlu dilakukan penelitian lebih mendalam untuk memperoleh teknik penempelan larutan elektrolit dan gas permeable
membrane yang lebih baik lagi.
Hasil uji kestabilan reference electrode hasil penyempurnaan ini menunjukkan hasil yang lebih baik di mana pengujian dilakukan selama 2 jam dan diperoleh
ripple kestabilan sebesar 1 mV, hasil ini lebih baik
dibandingkan ripple sebelumnya yang sebesar 10 mV.
4. Simpulan
Beberapa simpulan dapat diambil berkenaan dengan hasil desain dan fabrikasi sensor DO dari penelitian ini sebagai berikut, telah dilakukan desain dan pembuatan serta penyempurnaan prototipe sensor oksigen terlarut (dissolved oxygen). Hasil uji karakterisasi menunjukkan bahwa prototipe sensor DO yang dibuat berhasil bekerja dengan baik, meskipun faktor ripple stabilitas tegangan potensial yang dihasilkan reference electrode Ag|AgCl berkisar 10 mV. Desain dan penyempurnaan prototipe sensor oksigen terlarut DO terhadap bentuk lay out dari elektroda-elektroda dilakukan, dan hasil uji kestabilan
reference electrode meningkat dibandingkan desain
awal yaitu berkisar 1 mV. Karakterisasi prototipe sensor DO hasil penyempurnaan belum dapat dilakukan karena masih menunggu hasil penelitian untuk proses penempelan gas permeable membrane serta proses pengisian larutan elektrolit.
Ucapan Terimakasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan yang ada di Pusat Penelitian Elektronika dan
Instrumentation, TAS'96 Conference, Basel, 1996. [4] G. Blankenstein, U.D. Larsen, Biosens.
Bioelectron. 13 (1998) 427.
[5] E. Depsey, D. Diamond, M.R. Smyth, G. Urban, G. Jobst, I. Moser, E.M.J. Verpoorte, A. Manz, H.M. Widmer, K. Rabenstein, R. Freaney, Anal. Chim. Acta, 346 (1997) 341.
[6] A. Manz, N. Graber, H.M. Widmer, Sens. Actuator B-Chem. 1 (1990) 244.
[7] A. Manz, E. Verpoorte, D.E. Raymond, C.S. Efenhauser, N. Burggraf, H.M. Widmer, Proceedings of the μTAS’94 held at MESA Research Institute, University of Twente, The Netherlands, 1994, p.307.
Basel, 2004, p.589.
[13] A. Silber, M. Bisenberger, C. Brauchle, N. Nampp, Sens. Actuator B-Chem. 30 (1996) 127.
[14] J.K. Atkinson, A.W.J. Cranny, W.N. Glasspool, J.A. Mihell, Sens. Actuator B-Chem. 54 (1999) 215.
[15] R. James, A. Dindal, Z. Willenberg, K. Riggs, WTW Measurement Systems Cyanide Electrode CN501 with Reference Eelctrode R503D and Ion Pocket Meter 340i, Environmental Technology Verification Report, Battelle & EPA, USA, 2003, p.37.
