FABRIKASI DAN KARAKTERISASI
SENSOR PENGUKUR KADAR OKSIGEN TERLARUT DALAM AIR BERBASIS TEKNOLOGI FILM TEBAL
Zaenal. Arifin
1; Goib. Wiranto
2; Wiendartun
11Departemen Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154, Indonesia
2Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Jl. Sangkuriang – Komplek LIPI Gedung 20 Lt. 4
[email protected] [email protected] [email protected]
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian terhadap karakterisitik serta unjuk kerja daripada sensor pengukur kadar oksigen terlarut dalam air berbasis teknologi film tebal dengan menggunakan teknik screen printing. Sensor tersusun atas 3 buah elektroda yang diminiaturisasi kedalam sebuah substrat alumina berukuran 1× 2,5 cm. Elektroda kerja yang digunakan dalam penelitian ini berupa logam RuO2, Ag/AgCl digunakan sebagai elektroda pembanding dan AgPd digunakan sebagai elektroda bantu yang juga berfungsi sebagai jalur konduksi pada substrat. Ketiga elektroda dihubungkan oleh larutan tipis elektrolit jenuh KCl 3,5M dan gelatin serta bagian luar dilapisi dengan membran TiO2. Gelatin pada elektrolit digunakan sebagai gelling agent guna meningkatkan tingkat adhesivitas antara elektrolit dan substrat.
Penelitian dilakukan untuk mempelajari unjuk kerja, karakteristik serta pengaruh penambahan gelatin pada sensor DO yang dibuat melalui penyelidikan terhadap profil arus-potensial pada rentang 0,1V-1,6V. Pengujian menunjukan bahwa potensial kerja 1,4V menghasilkan nilai arus difusi relatif stabil yang diperlukan untuk meningkatkan unjuk kerja sensor. Sensor dengan penambahan gelatin pada lapisan elektrolit menunjukan performa dan karakteristik yang lebih baik dibandingkan sensor dengan elektrolit murni dimana sensor dengan penambahan gelatin 7% memiliki nilai sensitivitas sebesar 0,976 𝜇𝜇𝜇/𝑚𝑚 dan sensor dengan penambahan gelatin 9% memiliki respon kerja selama 2 menit 30 detik untuk mencapai kestabilan sedangkan sensor dengan elektrolit murni memiliki sensitivitas 0,560 𝜇𝜇𝜇/𝑚𝑚 dan respon kerja selama 4 menit untuk mencapai kestabilan.
Kata kunci : Sensor Oksigen Terlarut, Sensor Amperometri, Teknologi Film Tebal, Screen Printing.
FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF DISSOLVED OXYGEN ON WATER SENSORS
WITH THICK FILM BASED TECHNOLOGY
ABSTRACT
Fabrication and characterization of dissolved oxygen on water with thick film based technology and screen printing technique has been investigated. The sensors constructed by 3 pieces of electrodes which miniaturization on 1x2,5 cm alumina substrate. This research uses material such as RuO2 as a working electrode, Ag/AgCl as a reference electrode, AgPd as a counter electrode. All of electrode connected electricaly with saturated electrolyte KCl 3,5M with gelatin and the surface was coated by TiO2 membrane. Gelatin on electrolyte used as gelling agent for increase of adhesivity between electrolyte layer and substrate. This research aims for studying performance, characteristics and effect of adding gelatin on dissolved oxygen sensor which has ben conducted with investigation current- potential profile between 0,1-1,6 V. The result showed that potential 1,4V produces stable diffusion relatively which be required for increase sensors performances.
Sensor with addition of gelatin on electrolyte surface showed better characteristics and performances compared to sensor with pure electrolyte. Sensor with addition of gelatin 7% has sensitivity of 0,976 𝜇𝜇𝜇/𝑚𝑚 and sensor with adition of gelatin 9% has respon time 2 minutes 30 seconds while sensor with pure electrolyte has sensitivity of 0,560 𝜇𝜇𝜇/𝑚𝑚 and respon time 4 minutes.
Keywords: Dissolved oxygen sensors, Amperometric sensors, Thick film technology, Screen printing
PENDAHULUAN
Meningkatnya kebutuhan manusia akan air yang bersih, sehat dan
kaya akan oksigen tidak diimbangi dengan upaya untuk menjaga kelestarian air. Menurut data Kementrian Lingkungan Hidup pada tahun 2014 sebanyak 80% sungai di Indonesia mengalami pencemaran yang secara langsung maupun tidak langsung berdampak buruk terhadap kehidupan
manusia. Salah satu langkah awal yang dapat dilakukan dalam upaya melestarikan kembali saluran air adalah dengan memantau kondisi air tersebut agar kondisinya dapat tetap terpantau, terjaga dan juga menghindari kerusakan atau pencemaran yang berlebih untuk kemudian dapat dilakukan penanganan lebih lanjut setelah kondisinya diketahui (Salmin, 2005).
Salah satu komoditas yang harus dimiliki oleh setiap bangsa khususnya bagi negara-negara berkembang seperti Indonesia adalah penguasaan dalam bidang teknologi. Salah satu teknologi yang penting untuk dikuasai adalah sensor. Sensor merupakan sebuah perangkat yang digunakan untuk mendeteksi suatu besaran fisik menjadi sebuah besaran listrik sehingga dapat dianalisa dengan rangkaian listrik tertentu (Rusmandi, 2001).
Penggunaan teknologi sensor dalam berbagai aspek kehidupan menjadi sesuatu yang penting terutama untuk memudahkan manusia dalam beraktifitas dan juga sebagai bentuk penghematan energi. Salah satunya dapat dimanfaatkan dalam kegiatan pemantauan atau monitoring kualitas air sungai untuk membaca gejala perubahan parameter- parameter kualitas air sungai seperti pH, konduktifitas, temperatur, kadar oksigen terlarut serta parameter-parameter lain yang relevan.
Oksigen terlarut dalam air merupakan salah satu parameter kualitas air. Semakin banyak jumlah oksigen terlarut yang terkandung dalam suatu
perairan menunjukan bahwa kualitas air tersebut cenderung baik, sebaliknya apabila nilai oksigen terlarut dalam suatu perairan rendah dapat disimpulkan bahwa kualitas air tersebut kurang baik atau tercemar. Adapun sumber utama oksigen terlarut dalam sebuah perairan adalah difusi udara dan hasil fotosintesis dari organisme berklorofil yang hidup di perairan (M. Simanjuntak, 2007)
Dalam artikel ini dibahas mengenai proses alur fabrikasi serta karakterisasi sensor pengukur kadar oskigen terlarut dalam air berbasis teknologi film tebal. Penggunaan teknologi film tebal dalam proses fabrikasi sensor oksigen terlarut merupakan salah satu bentuk pengembangan dimana komponen- komponen sensor diminiaturisasi kedalam sebuah substrat dengan ukuran yang relatif kecil sehingga dimungkinkan untuk membuat sebuah divais sensor oksigen terlarut yang berukuran jauh lebih kecil dibandingkan bentuk sensor amperometri oksigen terlarut konvensional. Selain memiliki keunggulan dari segi ukuran, penggunaan teknologi film tebal juga
menjadikan biaya produksi relatif lebih rendah tanpa mengurangi fungsionalitas dari sensor tersebut. Teknologi film tebal merupakan salah satu teknik dalam proses pembuatan komponen-komponen elektronika berdimensi kecil atau mikroelektronika.
Pengukuran kadar oksigen terlarut dengan menggunakan sensor amperometri didasarkan atas hubungan arus difusi dengan kadar oksigen yang dapat dinyatakan melalui persamaan:
𝑖𝑑 = 𝑛𝑛𝑃𝑚
𝑏 𝐶𝑠 (1) Dimana 𝑖𝑑 adalah arus difusi, n adalah jumlah electron yang berubah per molekul reaktan, F adalah tetapan Faraday, 𝑃𝑚 adalah koefisien permeabilitas membran, b adalah ketebalan membran dan 𝐶𝑠 adalah kadar oksigen terlarut.
METODE PENELITIAN
Jenis sensor oksigen terlarut yang dibuat dalam penelitian ini digolongkan kedalam sensor elektrokimia dimana material-material yang memiliki kemampuan bereaksi terhadap perubahan konsentrasi oksigen terlarut dirancang
menjadi sebuah sistem elektrokimiawi untuk kemudian dilakukan analisis secara elektris sehingga dapat dipelajari karakter serta unjuk kerjanya.
1. Desain dan Fabrikasi Sensor
Penelitian dilakukan secara eksperimen dengan terlebih dahulu merancang desain komponen-komponen sensor melalui penggunaan aplikasi CorelDraw X6 untuk kemudian dicetak kedalam sebuah ortho film negatif.
Sensor tersusun atas 3 buah elektroda yang diminiaturisasi kedalam sebuah substrat alumina berukuran 1×2,5 cm.
Elektroda kerja yang digunakan dalam penelitian ini berupa logam RuO2, penggunaan senyawa logam oksida seperti RuO2, MnO2, V2O5 dalam proses pembuatan sensor mulai banyak dikembangkan karena memiliki nilai konduktivitas yang baik dan memiliki kestabilan terhadap perubahan suhu dibandingkan logam-logam seperti Au, Pt maupun Ag. Ag/AgCl digunakan sebagai elektroda pembanding dan AgPd digunakan sebagai elektroda bantu yang juga berfungsi sebagai jalur konduksi pada substrat. Ketiga elektroda dihubungkan oleh larutan tipis elektrolit
jenuh KCl 3,5M dan gelatin serta bagian luar dilapisi dengan lapisan TiO2 sebagai membran. Gelatin pada elektrolit digunakan sebagai gelling agent guna meningkatkan tingkat adhesifitas antara elektrolit dan substrat. Desain sensor oksigen terlarut yang dibuat dalam penelitian ini ditunjukan pada Gambar 1 berikut ini:
Gambar 1. Desain Sensor Oksigen Terlarut
Tiap-tiap komponen sensor dicetak pada permukaan substrat dengan menggunakan teknik screen printing.
Screen berukuran 325 mesh digunakan sebagai masker, pembentukan masker untuk tiap-tiap komponen sensor dilakukan secara fotoresistif dengan menggunakan bantuan alat Richmond 3000T. Setelah tiap-tiap masker berhasil dibuat, langkah selanjutnya adalah pencetakan pasta untuk tiap-tiap komponen sensor, pencetakan dilakukan secara bertahap dengan menggunakan mesin screen printer De Haart. Untuk tiap-tiap proses pencetakan dilakukan proses pengeringan setelahnya selama 15 menit dengan menggunakan oven laboratorium pada suhu 150℃ guna mengeringkan pasta-pasta yang telah dicetak dan menghilangkan pengotor- pengotor yang terdapat pada substrat.
Tahap selanjutnya setelah tiap-tiap komponen sensor berhasil dicetak pada substrat adalah proses pembakaran atau firing dengan menggunakan mesin RTC selama 45 menit dengan suhu puncak 800
℃ guna mengembangkan struktur pasta dan meningkatkan kerekatan antara pasta dan substrat.
Larutan elektrolit KCl 3,5M sebagai penghubung elektris pada elektroda disintesa dalam bentuk gel
melalui penambahan gelatin sebagai gelling agent dengan menggunakan bantuan magnetic stirrer untuk kemudian ditempelkan pada area kerja elektroda.
Pembentukan larutan elektrolit dalam bentuk gel dilakukan untuk memudahkan pengoperasian sensor karena media cetak yang dalam hal ini berupa alumina tidak mengakomodir komponen sensor dalam bentuk cairan seperti halnya sensor oksigen terlarut konvensional. Gelatin sendiri memiliki sifat kimiawi yang netral sehingga tidak mempengaruhi fungsionalitas dari larutan elektrolit. Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Suhanda, H. dinyatakan bahwa penggunaan larutan elektrolit jenuh 3,5M menghasilkan nilai arus difusi yang lebih stabil. Variasi penambahan gelatin sebanyak 5%, 7% dan 9% pada elektrolit KCl 3,5M dan elektrolit KCL 3,5M tanpa gelatin dilakukan untuk mengetahui penggunaan gelatin pada elektrolit yang optimum untuk operasional sensor.
Proses fabrikasi sensor oksigen terlarut diakhiri dengan pemasangan pasta TiO2 sebagai membran secara screen printing.
2. Pengujian dan Karakterisasi
Sensor amperometri pengukur kadar oksigen terlarut dalam air tergolong kedalam sel elektrolisis sehingga dalam proses kerjanya dibutuhkan pemantik berupa sebuah tegangan luar konstan agar reaksi yang diinginkan pada elektroda sensor dapat terjadi. Pemberian tegangan luar yang tepat menjadikan performa sensor yang lebih baik sehingga pengujian awal terhadap pemilihan tegangan luar atau potensial kerja diperlukan sebelum pengkarakterisasian sensor dilakukan.
Pemilihan potensial kerja optimum dilakukan dengan membuat profil polarogram arus terhadap tegangan dalam rentang potensial 0,1V – 1,6V.
Tegangan yang dipilih adalah batas atas dari wilayah arus batas (limiting current) yaitu rentang tegangan yang memberikan perubahan arus yang relatif stabil terhadap perubahan potensial kerja setelah peningkatan arus secara tajam.
Setelah potensial kerja optimum dipilih, dilanjutkan dengan pengujian terhadap tiap-tiap substrat pada rentang kadar oksigen antara kadar oksigen 3,0 mg/L sampai dengan 11,7 mg/L untuk
kemudian dilakukan kalibrasi guna mendapatkan karakteristik-karakteristik sensor tersebut. Dilakukan juga pengujian terhadap performa sensor dengan melakukan pengujian secara berulang untuk mengetahui unjuk kerja sensor yang telah dibuat.
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Potensial Kerja Optimum
Penentuan kadar oksigen terlarut (DO) dengan menggunakan sensor amperometri didasarkan atas pengukuran arus difusi yang dihasilkan pada potensial kerja optimum, dimana arus difusi yang diukur nilainya sebanding dengan kadar oksigen terlarut dalam larutan uji.
Pemilihan potensial kerja optimum pada sensor amperometri oksigen terlarut (DO) didasarkan pada potensial kerja yang menghasilkan nilai arus difusi yang stabil untuk rentang waktu yang panjang.
Gambar-1 menunjukan grafik hubungan arus-potensial rata-rata untuk tiap-tiap substrat dalam rentang 0,1V – 1,6V pada kadar oksigen 6,7 mg/L.
Gambar 1 Polarogram sensor oksigen terlarut (DO) pada kadar DO sebesar 6,7 mg/L untuk keempat substrat uji
Dari Gambar-1 dapat dilihat bahwasanya untuk keempat substrat uji memiliki wilayah rentang arus yang relatif stabil terhadap perubahan potensial kerja dalam rentang 0,1V sampai 1,6V yaitu pada rentang 0,1V sampai 0,5V dan pada rentang 1,2V sampai 1,4V sedangkan diantara kedua rentang tadi terdapat area yang menunjukan adanya lonjakan arus yang relatif lebih tinggi dibandingkan keduanya untuk penambahan potensial kerja yang sama. Arus konstan yang diperoleh setelah peningatan arus secara tajam merupakan arus batas sedangkan arus konstan yang diperoleh sebelum peningatan arus secara tajam merupakan arus residu. Arus difusi yang memiliki kesebandingan dengan kadar oksigen terlarut dalam analit merupakan selisih
0 2 4 6 8 10 12
0 0.4 0.8 1.2 1.6
Arus (µA)
Potensial (V) Blanko
Gelatin 5%
Gelatin 7%
Gelatin 9%
antara arus batas dan arus residu.
Potensial luar yang dipilih sebagai potensial kerja adalah potensial pada batas atas wilayah arus residu yang dalam hal ini adalah pada potensial kerja 1,4V. Pemilihan batas atas pada wilayah arus residu didasarkan pada penggunaan sumber tegangan luar berupa baterai yang akan mengalami penuruan tegangan pada akhir kurva pemakaiannya sehingga meskipun terjadi penurunan tegangan tidak terlalu mempengaruhi performa sensor karena untuk arus pada wilayah tersebut relatif stabil terhadap perubahan potensial.
2. Karakterisasi Sensor DO
Nilai potensial kerja yang telah dipilih kemudian digunakan untuk untuk mengetahui profil arus residu terhadap kadar oksigen tarlarut. Profil arus residu terhadap kadar oksigen terlarut pada rentang kadar oksigen 3,0 – 11,7 mg/L untuk potensial kerja 1,4V ditunjukan pada Gambar 2:
Gambar 2 Profil arus difusi terhadap oksigen terlarut pada rentang 3,0-11,7 mg/L
untuk keempat substrat uji.
Gambar-2 menunjukan profil nilai arus difusi terhadap perubahan kadar oksigen
I = 0.56(O2) - 0.46 R² = 0.969 0
2 4 6 8
2 7 12
Arus difusi (µA)
Oksigen terlarut (mg/L)
Substrat-1
I= 0.64(O2) - 0.80 R² = 0.992
0 2 4 6 8
2 7 12
Arus difusi (µA)
Oksigen terlarut (mg/L)
Substrat-2
I = 0.97(O2) - 1.17 R² = 0.996
0 5 10 15
2 7 12
Arus difusi (µA)
Oksigen terlarut (mg/L)
Substrat-3
I = 0.83(O2) - 0.77 R² = 0.981
0 2 4 6 8 10
2 7 12
Arus difusi (µA)
Oksigen terlarut (mg/L)
Substrat-4
terlarut untuk tiap-tiap substrat uji.
Keempat substrat uji menunjukan hubungan linearitas yang cukup baik.
Substrat dengan penambahan gelatin 7%
pada lapisan elektrolit KCl 3,5M menunjukan tingkat senstivitas paling tinggi yaitu sebesar 0,976 𝜇𝜇𝜇/𝑚𝑚.
3. Unjuk Kerja Sensor DO
Pengujian terhadap unjuk kerja sensor amperometri kadar oksigen terlarut (DO) dilakukan untuk menyelidiki unjuk kerja yang berkaitan dengan nilai guna dari sensor tersebut.
Sensor yang baik adalah sensor yang memiliki respon waktu yang cepat sehingga penggunaannya menjadi lebih efisien. Profil arus batas terhadap perubahan waktu untuk tiap-tiap substrat uji pada kondisi kadar oksigen terlarut 6,7 mg/L ditunjukan pada Gambar-3:
Gambar 3 Profil arus batas terhadap perubahan waktu untuk tiap substrat uji pada
kadar oksigen terlarut 6,7 mg/L
Pada Gambar-3 dapat dilihat bahwa mula-mula untuk tiap-tiap substrat terjadi penurunan arus yang sangat signifikan sebelum kemudian mencapai kestabilan.
Pengujian dilakukan dalam kurun waktu 5 menit dan substrat dengan penambahan gelatin 9% memiliki waktu menuju kestabilan yang paling cepat yaitu selama 2 menit 30 detik. Grafik kestabilan tiap- tiap substrat dalam kurun waktu 60 detik pada konsentrasi oksigen terlarut 6,7 mg/L ditunjukan oleh Gambar-4:
Gambar 4.15 Kurva kestabilan sensor oksigen terlarut (DO)
Selain memiliki respon waktu menuju kestabilan yang cepat, sensor dikatakan memiliki unjuk kerja yang baik ketika data hasil keluaran yang dihasilkan stabil atau konsisten dalam penggunaan secara berkala dalam kurun waktu yang panjang. Data pengujian kestabilan sensor oksigen terlarut ditunjukan pada Tabel-1, Pengujian dilakukan secara berulang dan 0
10 20 30 40
0 60 120 180 240 300
Arus batas (µA)
Waktu (s) Blanko Gelatin 5%
Gelatin 7%
Gelatin 9%
3 4 5 6 7
240 260 280 300
Arus batas (µA)
Waktu (s)
blanko Gelatin 5%
Gelatin 7%
Gelatin 9%
berkala selama kurun waktu 5 hari pada konsentrasi oksigen terlarut sebesar 6,7 mg/L dengan menerapkan potensial kerja optimum sebesar 1,4V pada sumber tegangan.
Tabel 1 Data pengujian kestabilan sensor Hari blanko Gel5% Gel7% Gel9%
1 4,2 𝜇𝜇 4,4 𝜇𝜇 6,2 𝜇𝜇 5,1 𝜇𝜇 2 4,2 𝜇𝜇 4,4 𝜇𝜇 6,1 𝜇𝜇 5,0 𝜇𝜇 3 4,1 𝜇𝜇 4,4 𝜇𝜇 6,2 𝜇𝜇 5,0 𝜇𝜇 4 4,2 𝜇𝜇 4,4 𝜇𝜇 6,2 𝜇𝜇 5,0 𝜇𝜇 5 4,1 𝜇𝜇 4,3 𝜇𝜇 6,2 𝜇𝜇 4,9 𝜇𝜇
Dari Tabel-1 dapat dilihat bahwa dalam kurun waktu 5 hari dengan perlakuan dan kondisi yang sama sensor oksigen terlarut menghasilkan data keluaran yang cukup konsisten.
SIMPULAN
Beberapa simpulan yang dapat diambil berkenaan dengan hasil penelitian mengenai fabrikasi dan karakterisasi sensor amperometri pengukur kadar oksigen terlarut dalam air ini adalah sebagai berikut:
1. Sensor amperometri pengukur kadar oksigen terlarut dalam air bekerja optimum pada pemberian potensial kerja 1,4V.
2. Sensor amperometri pengukur kadar oksigen terlarut dalam air menghasilkan nilai karakteristik yang optimum pada pemberian gelatin 7% pada lapisan elektrolit dengan nilai sensitivitas sebesar 0,976 𝜇𝜇𝜇/𝑚𝑚 dan hubungan korelasi sebesar 0,996 serta menghasilkan unjuk kerja yang optimum pada pemberian gelatin 9% pada lapisan elektrolit dengan respon waktu menuju kestabilan selama 2 menit 30 detik dan stabil terhadap pengujian berulang.
3. Penambahan gelatin pada lapisan elektrolit KCl 3,5M menghasilkan peningkatan pada nilai karakteristik dan unjuk kerja dari sensor amperometri pengukur kadar oksigen terlarut dalam air yang telah dibuat.
DAFTAR PUSTAKA
Daud, N dkk. (2013). Characterization of elekctrolyte layer for dissolved oxygen sensor. International Conference on Chemical, Agricultural and Medical Sciences (CAMS-2013) Dec 29-
30 2013 Kuala Lumpur (Malaysia).
Day, R.A & Underwood, A.L. (2002).
Analisis Kimia Kuantitatif.
Jakarta: Erlangga.
Debataraja, A., Manurung, R. V. &
Hiskia. (2011). Mikrotranduser deteksi oksigen terlarut aplikasi monitoring kualitas air. Jurnal:
Jurnal Ilmiah Elite Elektro Vol. 2 No.2: 73-78
Harper, C. A. (1984). Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics, Singapore: Mcgraw-hill, Inc.
Hitchman, M.L. (1978). Measurement of Dissolved Oxygen. London: John Wiley & Sons Inc
Suhanda, H. (2001). Penentuan kadar oksigen terlarut menggunakan sensor polarografi bermembran plastic. Jurnal: Jurnal Pengajaran MIPA Vol. 2 No. 2.
Manez, R. M. (2005). New potentiometric dissolved oxygen sensors in thick film technology.
Sensor and Actuator B 101 (2004) 295-301.
Manole, A. et all. (2006). Membrane Covered Polarographic Oxygen Sensor Manufacuring Theoritical Considerations. Analele
Stiintifice Universitatii. Tomul II, s. Biofizica, Fizica Medicela si Fizika Mediului 2006.
Pusat Sarana Pengendalian Lingkungan.
(2014). Laporan Pelaksanaan Pemantauan Kualitas Air 33 Provinsi. Jakarta: KLH.
Rahim, A. dkk. (2013). Dissolved O2 sensor based on cobalt(II) phthalocyanine immobilized in situ on electrically conducting carbon ceramic mesoporous SiO2/C material. Sensors and Actuators B: Chemical B 177(2013) 231-238.
Salmin. (2005). Oksigen Terlarut dan Kebutuhan Oksigen Biologi (BOD) sebagai Salah Satu Indikator untuk Menentukan Kualitas Perairan. Oseana, Volume XXX, Nomor 3, 21-26.
