1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kuarsa kristal yang dikenal dengan Quartz Crystal Microbalance (QCM) telah lama digunakan sebagai teknik pengindraan elektronik dengan mengamati perubahan frekuensi (f), dikarenakan pelapisan lapisan tipis pada kristal piezoelektrik, memungkinkan untuk menghitung massa lapisan dalam kondisi vakum, gas, dan fase cairan. Tekanan, suhu, dan tegangan permukaan juga dapat mempengaruhi pegeseran frekuensi dari resonator kuarsa (Ishay et al. 2015). Selain itu perkembangan dari teknologi QCM dapat digunakan untuk untuk mendeteksi sifat viskoelastik partikel kimia yang menempel pada sensor (Ishay et al. 2015). Perkembangan lebih lanjut khususnya pada pengukuran fase cair, telah membuatnya menjadi teknik yang menarik untuk memantau proses adhesi sel, dan untuk mengevaluasi interaksi permukaan sel (Ishay et al. 2015). Aplikasi QCM sebagai biosensor digunakan untuk detektor virus influenza (Kagiyama et al. 2015), deteksi bakteri (Saad et al. 2014), deteksi protein C pada serum manusia (Bakhshpour et al. 2017), sensor kelembaban (Jin et al. 2016), deteksi hormon ikan (Pali et al. 2017), dan deteksi kandungan amonia pada pernafasan manusia (Ogimoto et al. 2015).
QCM merupakan jenis biosensor berbasis variasi massa, selain itu terdapat jenis biosensor lainnya yaitu superficial acuoustic wave sensor (SAW) dan bulk acoustic wave sensor (BAW). Semua jenis biosensor tersebut dibuat pada substrat kuarsa piezoelektrik. Umumnya pada biosensor gravimetri dan immunobiosensor menggunakan kristal kuarsa piezoelektrik sebagai kristal resonansi, atau sebagai bulk gelombang permukaan akustik (Yurish 2007).
piezoelektrik yang digunakan sebagai sensor QCM adalah kristal kuarsa tipe AT-cut. Penggunaan tipe AT-cut ini dikarenakan merupakan tipe kristal yang paling stabil diantara tipe lainnya pada temperatur ruang, dapat digunakan sebagai referensi frekuensi output untuk menemukan hasil perubahan frekuensi dari efek lainnya. Faktor kualitas (Q) adalah rasio energi tersimpan persiklus dan energi yang dihamburkan dalam 1 siklus (proposional waktu peluruhan) (Jaruwongrungsee et al. 2007).
Metode yang paling sesuai untuk pengukuran pergeseran frekuensi resonansi sensor adalah metode aktif (atau selfexcited oscillator). Sensor QCM digunakan dalam sebuah rangkaian generator frekuensi tinggi sebagai elemen stabilisasi. Frekuensi dari generator akan berubah sesuai dengan frekuensi resonansi sensor. Kesulitan utama desain SAD untuk sensor QCM yaitu digitalisasi sinyal frekuensi tinggi, membutuhkan analog to digital converter (ADC) yang mahal. Hal ini diperlukan untuk pergeseran sinyal frekuensi tinggi ke rentang frekuensi rendah (dalam hal ini misalnya kHz). Pada sistem sirkuit QCM yang kompleks ini membutuhkan ADC, digital signal processing (DSP) mikroprosesor, digital filtering, dan interpolasi fast Fourier transform (FFT) (Yurish 2007).
Untuk itu perlunya ada alternatif dalam pembuatan SAD QCM yang murah tetapi dapat menampilkan pergeseran sinyal frekuensi tinggi, dengan metode sistem pencacahan berbasis static toggle flip-flop yang memiliki kemampuan yang sama yaitu dapat melakukan pergeseran sinyal frekuensi tinggi ke rentan frekuensi rendah dengan menggunakan intergrated circuit (IC) 74HC4040D (HIGH-to-LOW transition) (NXP 2014).
Perangkat akuisisi data dapat dibuat dengan menggunakan mikrokontroler sebagai pusat pemprosesannya. Pada penelitian ini mikrokontroler yang digunakan adalah ATmega16 (8 bit). Sensor QCM sebagai masukan dari SAD, digunakan sensor LM35 yang memiliki sensitifitas 10 mV/oC. SAD ini akan menggunakan IC 74HC4040D sebagai pencacahnya.
Metode pengukuran frekuensi menentukan efisiensi dari SAD QCM (Yurish 2007). Oleh karena itu dibutuhkan suatu metode pengukuran frekuensi yang efisien, salah satu dari metode tersebut adalah metode pencacahan riak biner yang merupakan bagian penting dari SAD. Terdapat jenis IC pencacah riak biner diantaranya IC 74HC393, IC 74HC4020, IC 74HC4024 dan IC 74HC4040D. IC 74HC393 terdiri dari dua tingkat 4-bit pencacah riak biner dengan kemampuan menerima sinyal frekuensi sebesar 20 MHz (NXP 2005). IC 74HC4020 terdiri dari 14- tingkat pencacah riak biner dengan kemampuan menerima sinyal frekuensi sebesar 20 MHZ (NXP 2008). IC 74HC4024 terdiri dari tujuh-tingkat pencacah riak biner dengan kemampuan menerima sinyal frekuensi 20 MHZ (NXP 2016a). IC 74HC4040D terdiri dari 12-tingkat pencacah riak biner dengan kemampuan menerima sinyal frekuensi 20 MHz (NXP 2014).
Mikrokontroler dipilih sebagai SAD dikarenakan lebih efisien jika dibandingkan dengan menggunakan field programmable gate array (FPGA) dan harganya yang murah. Sementara penggunaan FPGA untuk sistem akuisisi data di SAD QCM memerlukan biaya yang sangat mahal.
Dalam Penelitian ini, peneliti akan mengembangkan sebuah modul pencacah QCM dengan menggunakan IC pencacah 74HC4040D. IC 74HC4040D dipilih pada penelitian ini karena memiliki jumlah tingkatan efisien dan kemampuan menerima sinyal frekuensi yang besar yaitu 20 MHz. Penelitian ini akan mecoba mengumpulkan data karakteristik keluaran SAD yang dicacah oleh IC 74HC4040D. Analisa terhadap karakteristik sinyal frekuensi juga dilakukan dengan memberikan variasi jumlah sinyal frekuensi menggunakan function generator dan modul osilator (kristal).
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini adalah :
1. Bagaimana modul pencacah yang dapat digunakan untuk mengamati sinyal frekuensi resonansi tinggi.
2. Bagaimana sinyal yang diterima oleh IC 74HC4040D ketika diberikan masukan dari sumber sinyal frekuensi yang berbeda (function generator dan kristal).
3. Bagaimana pengaruh overshoot pada modul osilator terhadap stabilitas SAD modul pencacah QCM.
4. Bagaimana pengaruh penambahan rangkaian low-pass filter RC pada modul osilator terhadap hasil pencacahan IC 74HC4040D.
1.3 Batasan Masalah
Berikut adalah batasan masalah dalam penelitian ini :
1. Sinyal frekuensi yang digunakan dalam penelitian ini adalah 1 MHz, 2 MHz, 8 MHz, dan 10 MHz.
2. Sensor QCM 10 MHz yang digunakan dalam penelitian ini ter-coating dengan menggunakan poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS).
3. Pengujian sinyal difokuskan mengamati IC 74HC4040D.
4. Pengujian daya sistem tidak termasuk daya yang dikonsumsi oleh komputer.
1.4 Tujuan Penelitian
Berikut adalah tujuan penelitian dalam penelitian ini :
1. Merancang SAD yang dapat digunakan untuk mengamati sinyal frekuensi resonansi tinggi.
2. Mengetahui bagaimana perubahan sinyal yang terjadi pada IC 74HC4040D ketika melakukan proses penerimaan masukan dari sumber sinyal frekuensi yang berbeda.
3. Mengetahui bagaimana pengaruh overshoot terhadap stabilitas SAD modul pencacah QCM ketika diberi rangkaian low-pass filter.
4. Mengetahui bagaimana pengaruh penambahan rangkaian low-pass filter RC pada modul osilator terhadap hasil pencacahan IC 74HC4040D.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat Penelitian ini adalah diharapkan dapat menjadi suatu acuan rangkaian untuk penelitian-penelitian yang melibatkan pengukuran noise baik menggunakan pencacah IC 74HC4040D, ataupun sensor QCM maupun sensor gas resistive lain yang memungkinkan. Selain itu penelitian ini juga diharapkan dapat memberikan acuan untuk pembuatan sebuah SAD QCM sederhana yang hanya memerlukan satu sensor QCM.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan skripsi ini terdiri dari 6 bab yaitu: Pendahuluan, Tinjauan Pustaka, Landasan Teori, Perancangan Sistem, Pengujian Sistem dan Pembahasan, Kesimpulan dan Saran, Serta lampiran.
BAB I
Merupakan pendahuluan berisikan latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat dari penelitian ini.
BAB II
Berisikan tinjauan pustaka penelitian sebelumnya, yang berhubungan dengan penelitian ini.
BAB III
Membahas tentang konsep SAD yang menjadi SAD penelitian ini. Konsep SAD tersebut diantaranya adalah konsep modul yang digunakan dalam penelitian seperti IC 74HC4040D, IC 74HC573, IC 74HC4051, dan mikrokontroler ATmega16. Selain itu pada bab ini juga dijelaskan tentang konsep bagaimana pencacah dan osilator pada modul pencacah QCM menghitung besarnya perubahan frekuensi yang terjadi.
BAB IV
BAB V
Membahas tentang hasil pengujian yang dilakukan terhadap sistem yang telah dikembangkan.
BAB VI
Menjelaskan kesimpulan dari perancangan alat maupun hasil uji coba alat. Bab ini juga berisi saran bagi penelitian selanjutnya.
