SENSOR GAS BERBASIS TIMAH OKSIDA (Sn02) Udin Asrorudin Akademi Kimia Analisis ABSTRACT

(1)

PENGEMBANGAN SENSOR GAS BERBASIS TIMAH OKSIDA (Sn02)

Udin Asrorudin Akademi Kimia Analisis

ABSTRACT

The needs for portable, mini size, and cheaper but have long life time and high sensitifity/selectivity has been driving force for the development of new sensing devices based on tin oxide. Tin oxide is widely used as sensing layer because it has wide range of gases that can be detected Alteration of conductance is main principle detection gas with this sensor. By minimalizing particle size of sensing element, control operational temperature of sensor, and doping metal or oxide metal, we can get gas sensor with higher selectivity and sensitivity.

mendeteksi keberadaan gas tersebut sehingga upaya untuk pengembangan sensor gas sangat diperlukan.

Key Word: Tin Oxide, Semiconductor Gas Sensor, Sensitivity/Selectivity Sensor

PENDAHULUAN

Sensor gas adalah alat yang dapat mendeteksi keberadaan gas. Alat ini akan menghasilkan sinyal listrik yang besamya sebanding dengan konsentrasi gas. Sejak tahun 1980-an, perkembangan teknologi sensor gas semakin menarik minat para ahli. Hal ini terkait dengan antisipasi terhadap bahaya ledakan atau keracunan gas yang dapat mengancam keselamatan manusia. Indera penciuman manusia memiliki keterbatasan untuk dapat

40

Beberapa teknologi sensor gas telah dikembangkan saat ini antara lain sensor elektrokimia, infra merah, foto ionisasi, katalitik, dan solid-state. (http://www.gotgas.com/pdfl

Intro_ChapO1.pdf). Sensor _~lektrokimia dan sensor katalitik memiliki keuntungan praktis (ukuran kecil) dan harganya relatif murah akan tetapi selektivitasnya kurang baik dan

(2)

umumya yang pendek. Akurasi sensor inframerah dan ionisasi tinggi akan tetapi ukuran instrumennya besar sehingga kurang praktis, selain itu harganya juga relatif mahal. Oleh sebab itulah sensor solid state dikembangkan. Kelebihan solid state yaitu ukuran sangat kecil, relatif murah, selektivitas tinggi, dan umur yang panjang. Salah satu sensor solid state yang sedang dikembangkan yaitu sensor berbasis timah oksida (Sn02).

Garnbar 1.SensorSolid-state

Sensor Solid-state

Sensor Solid-state (Garnbar 1) menggunakan satu atau lebih oksida logarn semikonduktor sebagai elemen sensomya sehingga jenis sensor ini dikenal juga sebagai sensor gas semikonduktor (SGS). Oksida logarn semikonduktor digunakan, baik dalarn bentuk oksida logarn tunggal, seperti timah oksida (Sn02), seng oksida (Zn02), titanium oksida (Ti02), besi oksida (Fe203), tungsten oksida (W03), dan gallium oksida (Ga203) maupun

WARTA AKAB, No JULI

oksida logarn carnpuran, seperti BiFe03, MgAh04, SrTi03, dan Srl_ yCayFe03_x(Setasuwon,- dan Hooker, 2002).

(A)

(B)

Garnbar 2. Skematik Umum Sensor Solid-state (A) Tipe Bead dan (B) Tipe Chip

(http://www.gotgas.comlpdf/solidstate.pdt)

Berdasarkan bentuk elemen sensomya, sensor solid-state dibedakan menjadi dua tipe, yaitu tipe bead (oksida logam dalam bentuk pasta) dan tipe chip (oksida logarn dalam bentuk lapisanlfilm tipis atau tebal yang diendapkan vakum di atas chip silika). Pada Garnbar 2 ditunjukkan bentuk kedua tipe sensor tersebut.

(3)

Perkembangan terakhir menyatakan bahwa sensor solid-state telah mampu mendeteksi lebih dari 150 macam gas berbahaya yang berbeda pada level konsentrasi ppm (http:// www.gotgas.com). Bahkan sensor ini mampu mendeteksi gas yang sebelumnya hanya bisa dideteksi menggunakan instrumentasi analitik yang mahal.

Pada sensor solid-state ini, keberadaan gas akan teradsorbsi pada pennukaan elemen sensor (oksida logam) yang selanjutnya mendisosiasi gas menjadi ion atau kompleks bermuatan. Akibatnya terjadi transfer elektron dan perubahan konduktivitas material sensor yang dibaca oleh elektrode sebagai sinyal indikasi keberadaan gas dalam sistem sensor.

Seiring dengan hilangnya gas maka elemen sensor berubah ke kondisi semula tanpa ada bagian material sensor yang hilang atau habis selama proses terse but berlangsung. Hal inilah yang menjadi keunggulan lain dari sensor ini, yakni waktu hidup sensor yang lebih lama. Pemanas (heater) dalam sistem sensor ini tidak merusak material namun hanya berfungsi untuk

mendapatkan oksida logam keberadaan gas.

temperatur optimal dalam mendeteksi

PRINSIP KERJA TIMAH OKSIDA SEBAGAI ELEMEN SENSOR GAS

Salah satu oksida logam yang sering digunakan sebagai elemen sensor solid-state adalah timah oksida (Sn02). Sharp dkk (1998) menyatakan bahwa timah oksida mumi merupakan material semikonduktor tipe-n dengan band-gap lebar (Eg 3,6 eV). Keunggulan dari penggunaan timah oksida sebagai elemen sensor adalah ukurannya yang bisa dibuat sangat kecil (nano film dan kawat nano), murah, dan reaktifitas yang tinggi dalam mereduksi gas sehingga sangat sensitif dan selektif dalam mendeteksi gas (Partridge, 2007). Selain itu, timah oksida memiliki stabilitas kimia yang tinggi sehingga stabil dari gangguan senyawa kimia lainnya, kecuali oleh senyawa alkali pekat yang panas.

Konduktivitas timah oksida dipengaruhi oleh keberadaan molekul oksigen. Ketika permukaan timah oksida dikemisorbsi oksigen maka terjadi transfer elektron dari pita (band)

(4)

konduksi yang mengubah molekul oksigen menjadi 02-,

o,,

dan 0- (323 K, 373 K, dan 723 K) sehingga terjadi perbedaan (barrier) potensial antar permukaan dan timah oksida menjadi sangat resistif. Menurut Mishra et. al.(2002) pada suhu lebih tinggi hanya ion0-yang ada karena terjadi reaksi :

O2 (gas) •.••----.~ O2(teradsorbsi) O2 (teradsorbsi)

+

e •.••

--+.

O

2-Keberadaan gas-gas pereduksi, seperti metana atau karbon monooksida (CO) menurunkan perbedaan potensial antar

permukaan dan meningkatkan

konduktivitas permukaan timah oksida.

Sebaliknya keberadaan gas-gas

pengoksidasi akan menaikkan

perbedaan potensial antar permukaan

dan menurunkan konduktivitas

permukaan timah oksida.

(www.appliedsensor.comlpdfslMetal_ Oxide_Semiconductor _(MOS).pdt).

Besarnya perubahan konduktivitas dipengaruhi oleh komposisi dan ukuran bahan aditif, karakteristik morfologi dan geometri lapisan sensor dan substrat, dan temperatur operasional

alat. Reaksi antara gas target, oksigen, dan timah oksida berlangsung pada temperatur tinggi (rentang suhu 200 sampai 800°C) bergantung jenis gas, material elemen sensor, dan pen-doping. Oleh sebab itu perlu dilakukan optimasi suhu optimum, baik untuk elemen sensor maupun gas target.

SENSITIVIT ASDA.N

SELEKTIVITAS TIMAH OKSIDA

Sebagaimana telah dijelaskan

sebelumnya bahwa kemampuan timah

oksida dalam mendeteksi gas

disebabkan oleh terjadinya perubahan konduktivitas akibat transfer elektron (reaksi) yang terjadi di permukaan timah oksida. Di samping itu, menurut Delgado (2002) temyata perubahan konduktivitas bukanlah satu-satunya

faktor yang mempengaruhi

kemampuan sensor dalam mendeteksi gas. Perbedaan difusi antara gas

oksigen dan gas target juga

menentukan sangat penting

diperhatikan, terutama untuk sensor --"·yang menggunakan elemen sensor timah oksida dalam bentuk lapisan tebal. Pori-pori yang terbentuk dari lapisan elemen sensor ini akan

(5)

mempengaruhi sensitivitas selektivitas deteksi gas.

dan

Namun masalah sensitivitas dan selektivitas ini dapat diatur dengan memvariasikan struktur kristal, morfologi, temperatur operasional, dan kontak material/geometri. Selain itu dapat pula dilakukan dengan memodifikasi sensor, seperti penambahan filter kimia, pengaturan suhu permukaan, pemasangan kolom analitik khusus, atau penambahan unsur pen-doping.

Bahan aditif atau doping yang biasa digunakan pada umumnya adalah golongan logam mulia atau transisi antara lain tembaga, lanthanum, palladium, platina, perak, dan stibium baik dalam bentuk logam atau oksidanya. Pada Tabel 1 disajikan beberapa bahan aditif yang digunakan dan gas target yang dideteksi.

Prinsip Kerja Bahan Aditif (Doping) Bahan aditif yang ditambahkan berfungsi sebagai agen katalis yang membentuk klaster dalam bentuk logam ataupun oksidanya di permukaan elemen sensor timah oksida. Ada dua mekanisme yang digunakan untuk

44

menjelaskan efek katalitik dari bahan aditif(Gambar 3),yaitu :

1. Pendekatan kimia

Terjadi adsorpsi yang diikuti difusi bahan aditif menuju permukaan timah oksida. Secara umum pengaruh klaster bahan aditif

adalah menghasilkan koefisien

pengikatan dengan gas yang lebih tinggi daripada dengan timah oksida dan mendisosiasi molekul gas di permukaan timah oksida.

2. Pendekatan elektronik

Pada pendekatan ini, terjadi interaksi elektronik antara partikel bahan aditif dan timah oksida melalui jarak muatan yang dibentuk oIeh klaster dengan permukaan timah oksida. Bahan aditif bertindak sebagai reseptor sedangkan timah oksida bertindak sebagai transduser perubahan yang terjadi pada permukaannya selama adsorpsi gas. Bentuk oksidasi partikel berubah ketika kontak dengan gas terkait perubahan kondisi elektronik timah oksida.

-

....

(6)

Tabel 1 . Bahan Aditif (Doping) dan Gas Target (Delgado,2002)

No. Bahan Aditif (Doping) Gas Target

i. Cesium oksida (Ce02) dan Metana

Osmium (Os)

2. Lanthanum oksida (La203) Karbon dioksida (CO2)

3. Palladium (Pd) Karbon monooksida (CO) dan Metana (CHt)

4. Platina (Pt), Emas (Au), dan Karbon monooksida (CO)

Bismuth oksida (BhO))

5. Thorium oksida (Th02) Karbon monooksida (CO) dan trimetil amin

6. Logarn grup III(Ga, AI, In) Nitrogen oksida (NOx)

-7

.

Kadmium (Cd) Etanol dan Hidrogen (H2)

8.

Rhodium (R,I,) Asetaldehid

9. Perak (Ag) .Hidrogen (th), Hidrogen Sulfida (H2S), dan

I

propana WART A AKAB, No 21, lUll 2009 H,

,

\ H b) H. ~

Gambar 3. Skema (a) Pendekatan Kimia dan (b) Pendekatan Elektronik Mekanisme

Kerja Bahan Aditif (Deigado,2002)

APLlKASI SENSOR BERBASIS

TlMAlI OKSIDA

Perkembangan teknologi sensor

berbasis timah oksida semakirr

meningkat, diantaranya dengan telah

didesainnya mikrosensor dan

nanosensor berbasis timah oksida.

Mikrosensor dan nanosensor (Gambar

4) menjawab kebutuhan akan sensor

yang berukuran kecil dan hemat energi

dengan tanpa mengurangi sensitifitas

dan selektifitas sensor sehingga sangat

praktis untuk digunakan di lapangan.

(7)

Selain itu, mikrosensor dan nanosensor juga memiliki stabilitas yang baik, waktu hidup yang lama, dan respon recovery singkat. Sensor jenis ini mampu dioperasikan pada rentang suhu ambient dan kelembaban yang lebar serta tidak membutuhkan perawatan yang kompleks.

Gambar 4.Mikrosensor dan Nanosensor (www.appliedsensor.comJpdfslMetal_ Oxide_Semiconductor_(MOS).pdt)

Lingkup deteksi gas sensor berbasis timah oksida ini antara lain alkohol (metanol, etanol, dan alkohol lain), amoniak (NH3), butana (C4HlO),karbon monoksida (CO), klorin (Cb), etilena (C2H2), heptana (C7H16), heksana (C6H14), hidrogen (H2), hidrogen sulfida (H2S), LPG, metana (C~), nitrogen dioksida (N02), ozon (03), propana (C3Hs), sulfur dioksida (S02), toluena (C7Hs), dan lain-lain (http://www.Metal_Oxide_Semiconduc tor(MOS).pdt). Pada Gambar 5 dapat 46

dilihat respon sensor gas berbasis timah . oksida pada beberapa jenis gas.

140'Cr"

---Gambar 5. Respon sensor gas timah oksida pada beberapa gas (Sun,et.al., 2001)

SIMPULAN

Berdasarkan pemaparan hasil penelitian-penelitian di atas dapat disimpulkan bahwa timah oksida dapat dimanfaatkan sebagai elemen sensor gas. Timah oksida mampu mendeteksi keberadaan gas, baik gas pereduksi maupun gas pengoksidasi. Hal ini terkait adanya reaksi permukaan antara timah oksida, oksigen yang dikemisorbsi, dan gas target. Efektifitas reaksi ini dipengaruhi oleh ukuran partikel timah oksida dan temperatur operasional. Dengan optimalisasi kedua faktor tersebut akan didapatkan reaksi yang efektif sehingga sensor lebih

(8)

sensitif dan selektif Penambahan bahan aditif (doping) yang dapat membentuk klaster dengan timah oksida dapat berperan sebagai agen katalitik untuk deteksi gas tertentu, Seiring dengan perkembangan desain mikrosensor dan nanosensor berbasis timah oksida maka tantangan kebutuhan akan sensor gas yang murah, praktis, berdaya hidup lama, stabil,

sensitif, dan selektif terjawab.

DAFfAR PUSTAKA

Delgado, R. D. 2002. Tin Oxide Gas Sensors: An Electrochemical Approach. Universitat de Barcelona Hooker, S. A. Nanotechnology

Advantages Applied to Gas Sensor Development. The Nanoparticles 2002 Conference Proceedings. http://www.appliedsensor.com/pdfs/Me

tal_Oxide _Semiconductor _(M OS). pdf

WARTA AKAB, No 21,

ruu

2009

http://www.Metat.Oxide._Semiconduc -tor{MOS).pdf

Mishra, S, et. at.Alcohol Sensing of Tin Oxide Thin Film Prepared by So/-Gel Process. Bull. Mater. Sci. Vol 25 (3). 2002. pp 231-234

Partridge,J. 2007. Characterisation of TinOxide Films and Nanowires.

Rella, R. et.al. Air Quality Monitoring

by Means of Sol-Gel Integrated Tin Oxide Thin Films. Sensors and Actuators B 58. 1999. pp. 283-288. Setasuwon, P. Dopants in Tin Oxide

Gas Sensor for Enhancing Detection Alcohol.

http://www.mtcc.or.th/th/seminar/m sativ/pdf/CP21.pdf

Sharp, S. L., et.al. Formation and Structure of a Tin-Iron Oxide Solid -State System with Potential Applications in Carbon Monooxide Sensing through the Use of Cyanogel Chemistry. Chem. Mater.

10. 1998. pp 880-885

Sun, et. at. Study of Influencing Factors of Dynamic Measurements Based on Sn02 Gas Sensor. Sensors 4. 2004.