6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 SnO2

SnO2 merupakan suatu senyawa ionik, yang non-stoikiometri, karena

adanya cacat titik berupa kelebihan atom logam Sn (Stannic). SnO2 banyak

dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi karena stabil terhadap perlakuan panas,

biaya pendeposisiannya yang relatif murah, dan sifat physicochemical yang baik.

Material Oksida SnO2 disebut juga keramik. Kata keramik berasal dari kata

Yunani “keramos” yang berarti tembikar (pottery) atau peralatan terbuat dari

tanah (earthenware). Bahan keramik adalah bahan dasar penyusun kerak bumi,

yaitu: SiO2, Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O dst. Dari unsur-unsur tersebut dapat

dilihat terdapat paduan dua unsur yaitu logam dan non logam, sehingga dapat

dikatakan keramik adalah bahan padat anorganik yang merupakan paduan dari

unsur logam dan non logam yang berikatan ionik dan atau ikatan kovalen.

(Wikipedia.com ;2009)

Gambar 2.1 SnO2 Gambar 2.2 Stuktur Kristal SnO2

7

Ikatan kelompok bahan, keramik mempunyai titik cair yang tinggi

dibandingkan dengan logam atau bahan organik. Biasanya lebih keras dan tahan

terhadap perubahan-perubahan kimia. Keramik padat biasanya merupakan isolator

sebagaimana pula dengan bahan organik. Pada suhu tinggi dengan energi termal

yang tinggi keramik dapat menghantarkan listrik meskipun daya hantarnya rendah

dibandingkan dengan logam. Karena tidak memilki elektron bebas kebanyakan

bahan keramik tembus cahaya dan merupakan penghantar panas yang buruk. (Van

Vlack)

2.2 Metode sol-gel

Metode sol-gel (C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-Gel Science) dikenal

sebagai salah satu metode sintesis nanopartikel yang cukup sederhana dan mudah.

Metode ini merupakan salah satu “wet method” karena pada prosesnya

melibatkan larutan sebagai medianya. Pada metode sol-gel, sesuai dengan

namanya larutan mengalami perubahan fase menjadi sol (koloid yang mempunyai

padatan tersuspensi dalam larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi

mempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol).

Bahan-bahan yang biasanya digunakan sebagai katalis adalah urea,

polyvinyl alkohol atau asam sitrat. Secara sederhana proses metode sol gel dapat

dilihat dalam bagan diatas.

Sol-gel yang merupakan proses basah-teknik kimia (Kimia Solusi

Endapan) untuk pembuatan bahan (biasanya metal oksida) mulai dari yang baik

kimia solusi (sol pendek untuk solusi) atau partikel koloid (sol untuk nanoscale

Partikel) untuk menghasilkan jaringan terpadu (gel). Khas precursors adalah

8

logam alkoxides dan chlorides logam, yang mengalami hidrolisis dan

polycondensation reaksi untuk membentuk sebuah koloid, yang terdiri dari sistem

partikel solid (ukuran mulai dari 1 ke 1 nm, μm) dilarutkan dalam larutan. Sol

perkembangan yang kemudian ke arah pembentukan sebuah anorganik terus

jaringan yang berisi fase cair (gel). Formasi yang melibatkan logam oksida logam

menghubungkan pusat dengan Oxo (MOM) atau hydroxo (F-OH-M) jembatan,

sehingga menghasilkan logam-logam atau Oxo-hydroxo Polymers dalam solusi.

Proses pengeringan yang berfungsi untuk menghapus fase cair dari gel sehingga

membentuk bahan keropos, maka perlakuan panas (pembakaran) dapat dilakukan

dalam rangka untuk lebih polycondensation dan meningkatkan properti mekanis.

Tanda-tanda sol dapat di deposit baik pada substrat untuk membentuk sebuah film

(misalnya menukik atau putaran lapisan-lapisan), dimasukkan ke dalam kontainer

yang sesuai dengan bentuk yang dikehendaki (misalnya untuk mendapatkan

monolithic keramik, gelas, serat, membranes, aerogels), atau digunakan untuk

menyatukan serbuk (misalnya microspheres, nanospheres). Sol-gel dengan

pendekatan yang menarik di saat ini telah menjadi murah dan teknik- suhu rendah

yang memungkinkan untuk berbagai produk komposisi kimia, bahkan sebagai

dopants dalam jumlah kecil, seperti Pewarna organik dan logam langka bumi,

dapat diperkenalkan pada sol dan berakhir pada akhir produk halus menghilang.

Hal ini dapat digunakan di keramik proses manufaktur, sebagai investasi lemparan

bahan, atau sebagai alat produksi sebagai film tipis dari logam oxides untuk

berbagai keperluan. Sol-gel berasal dari bahan yang memiliki beragam aplikasi di

9

optik, elektronik, energi, ruang, (bio) sensor, obat-obatan (misalnya obat dikontrol

rilis) dan pemisahan (misalnya teknologi kromatografi).

2.3 Gas CO

Karbon monoksida, rumus kimia CO, adalah gas yang tak berwarna, tak

berbau, dan tak berasa. Ia terdiri dari satu atom karbon yang secara kovalen

berikatan dengan satu atom oksigen. Dalam ikatan ini, terdapat dua ikatan kovalen

dan satu ikatan kovalen koordinasi antara atom karbon dan oksigen.

Karbon monoksida dihasilkan dari pembakaran tak sempurna dari senyawa

karbon, sering terjadi pada mesin pembakaran dalam. Karbon monoksida

terbentuk apabila terdapat kekurangan oksigen dalam proses pembakaran. Karbon

dioksida mudah terbakar dan menghasilkan lidah api berwarna biru, menghasilkan

karbon dioksida. Walaupun ia bersifat racun, CO memainkan peran yang penting

dalam teknologi modern, yakni merupakan prekursor banyak senyawa karbon.

Karbon monoksida merupakan senyawa yang sangat penting, sehingga

banyak metode yang telah dikembangkan untuk produksinya. Gas produser

dibentuk dari pembakaran karbon di oksigen pada temperatur tinggi ketika

terdapat karbon yang berlebih. Dalam sebuah oven, udara dialirkan melalui kokas.

CO2 yang pertama kali dihasilkan akan mengalami kesetimbangan dengan karbon

panas, menghasilkan CO. Reaksi O2 dengan karbon membentuk CO disebut

sebagai kesetimbangan Boudouard. Di atas 800°C, CO adalah produk yang

predominan:

10

O2 + 2 C → 2 CO

ΔH = -221 kJ/mol

Kerugian dari metode ini adalah apabila dilakukan dengan udara, ia akan

menyisakan campuran yang terdiri dari nitrogen. Gas sintetik atau gas air

diproduksi via reaksi endotermik uap air dan karbon:

H2O + C → H2 + CO

ΔH = 131 kJ/mol

CO juga merupakan hasil sampingan dari reduksi bijih logam oksida

dengan karbon:

MO + C → M + CO

ΔH = 131 kJ/mol

2.4 Sensor Gas Teknologi Thick Film

Salah satu jenis sensor gas yang sangat populer adalah sensor gas

menggunakan prinsip chemoresistor, yang dapat dibuat menggunakan teknologi

film tebal. Sensor gas berbasis teknologi film tebal yang dikembangkan sekarang

ini menggunakan sepasang elektroda berbentuk interdigital transducers, yaitu

sepasang elektroda pararel yang masing masing mempunyai semacam jari sisir

periodik yang keduanya saling berhadapan dan saling bertaut yang dicetak pada

keping substrat alumina planar menggunakan teknologi screen printing. Adapun

material sensornya dicetak diatasnya, juga dengan menggunakan metode screen

11

printing. Pada dasarnya sensor gas teknologi thick film adalah sensor gas yang

bekerja memakai prinsip chemoresistor, dimana konduktifitas sensor akan

berubah dengan adanya unsur- unsur kimia (dari gas) yang bekerja pada lapisan

sensitif dari bahan semikonduktor (dalam hal ini SnO2 dan In2O3). Perubahan

konduktifitas tersebut terjadi karena adanya perpindahan elektron-elektron valensi

pada atom-atom material sensor akibat adanya reaksi dengan gas-gas reaktan

tersebut. Reaksi yang terjadi antara material sensor dan gas-gas reaktan itu bisa

bersifat Oksidasi atau Reduksi.

Gambar 2.3 Konsep sensor gas berbasisi metal oksida

2.4.1 Sensitivitas

2.4.1.1 Sensitivitas pada sensor gas

Salah satu masalah dalam pembuatan sebuah sensor adalah sensor harus

mempunyai sensitivitas yang cukup memadai. Dalam sensor gas ini, yang nilai

resistansnya berubah menurut konsentrasi gas, sensitivitas dinyatakan :

12

Untuk material sensor tipe–n dan gas berupa gas pereduksi :

g

o

R

RS atau

go

o

RR

RS .............................................................................. (2.1)

Untuk material sensor tipe–n dan gas berupa oksidator :

o

g

R

RS atau

o

o

R

RRgS ........................................................................... (2.2)

dengan : S : Sensitivitas

Ro : Resistansi sensor pada udara normal (tidak ada gas)

Rg : Resistansi sensor pada saat ada gas

Sedangkan untuk material sensor tipe-p, definisi sensitivitas diatas menjadi

sebaliknya. (Cirera,2000:8)

2.4.1.2 Definisi Grafik pada sensor

a. Kepekaan/ Sensitivitas

Sensitivitas menunjukkan berapa banyak perubahan tegangan keluaran

sebagai akibat dari perubahan dalam Gap antara target dan sensor kapasitif. Nilai

sensitivitas umum adalah 1V/0.1mm. Ini berarti bahwa untuk setiap 0.1mm

perubahan dalam gap maka tegangan output akan berubah 1V. Ketika tegangan

output diplot terhadap ukuran gap dalam mm, kemiringan garis adalah sensitivitas.

13

Gambar 2.4 Kemiringan Grafik Sensitivitas

b. Sensitivity Error

Sensitivitas sebuah sensor adalah ditetapkan selama kalibrasi. Ketika

sensitivitas menyimpang dari nilai ideal ini disebut sensitivitas kesalahan, kesalahan

gain, atau kesalahan scaling. Karena sensitivitas adalah kemiringan garis, kesalahan

sensitivitas biasanya disajikan sebagai persentase kemiringan grafik dan

membandingkan grafik yang ideal dengan kemiringan yang sebenarnya.

Gambar 2.5 Sensitivitas Error

14

c. Offset Error

Offset Error terjadi ketika nilai konstan ditambahkan ke tegangan output dari

sistem. Sistem sensor kapasitif biasanya bekerja selama pemasangan, menghapuskan

setiap penyimpangan offset dari kalibrasi asli. Namun, perubahan offset error untuk

sistem ini diperkenalkan ke pengukuran. Perubahan Suhu merupakan faktor utama

dalam kesalahan offset.

Gambar 2.6 Offset Error - Sebuah nilai konstan ditambahkan ke semua pengukuran.

d. Linearity Error

Sensitivitas dapat sedikit berbeda diantara dua titik data. Variasi ini disebut

kesalahan linieritas. Spesifikasi linieritas adalah pengukuran dari seberapa jauh

output bervariasi dari garis lurus. Untuk menghitung kesalahan linearitas, data

kalibrasi dibandingkan dengan garis lurus yang terbaik sesuai dengan Titik. Garis

lurus dihitung dari data kalibrasi dengan menggunakan teknik yang disebut kuadrat

terkecil pas. Jumlah kesalahan titik pada kurva kalibrasi yang terjauh dari garis yang

ideal adalah kesalahan linieritas. Kesalahan linearitas biasanya dinyatakan dalam

persen dari skala penuh. Jika kesalahan pada titik terendah adalah 0.001mm dan

kisaran skala penuh dari kalibrasi adalah 1mm, kesalahan linieritas akan menjadi

0,1%. Perhatikan bahwa kesalahan linearitas tidak memperhitungkan kesalahan

15

dalam sensitivitas. Ini hanya ukuran kelurusan garis dan tidak kemiringan garis.

A..Sebuah sistem dengan kesalahan sensitivitas kotor bisa sangat linear.

Gambar 2.7 Linearitas Error - Pengukuran data tidak pada garis lurus.

2.4.2 Bentuk Respon Sensor

Pada dasarnya, respon sensor gas teknologi thick film ini adalah perubahan

nilai konduktans sensor terhadap perubahan konsentrasi gas. Secara umum

dinyatakan sebagai:

0G

GS .............................................................................................. ...(Barsan:5) (2.3)

dengan

S : Sensitivitas

G : Konduktans sensor ketika ada gas pereduksi

G0 : Konduktans sensor ketika tidak ada gas pereduksi.

16

Sesuai statistik Maxwell-Boltzmann, konduktifitas (G) dirumuskan :

kT

eVs

eenR

G 1 ................................................................ (Barsan:5) (2.4)

Dengan adalah bulk mobility dan n adalah konsentrasi elektron.

Sedangkan Vs adalah tegangan Schottky barrier, didefinisikan sebagai :

2

0

1p

VVS

....................................................................... (Barsan:5) (2.5)

V0 adalah barrier height pada saat tidak ada gas pereduksi, didefinisikan sebagai :

D

S

N

NeV

2

0

2 ............................................................................. (Barsan:5) (2.6)

Sedangkan

2

1p

merupakan parameter kondisi gas pada konsentrasi,

tekanan dan suhu tertentu.

dengan :

NS adalah kerapatan di permukaan sensing ( m-2

),

ND adalah konsentrasi donor ( oxygen vacancies ) ( m-3

) ,

e adalah muatan elektron (eV)

adalah konstanta dielektrik bahan semikonduktor.

adalah massa jenis gas (mol/L)

p adalah Tekanan Parsial gas (J)

17

Sedang didefinisikan sebagai :

kTh

mkT 23

2

2 ........................................................................ (Barsan:5) (2.7)

dengan :

m = massa gas pereduksi (dalam hal ini CO)

h = tetapan planck = 4,134.10-5

eV

T = suhu absolut (oK)

Dengan menggunakan persamaan (2.8), dan dengan mendefinisikan G0 sebagai

konduktifitas sensor pada udara bebas, maka :

kT

eV

neeG0

0 ................................................................................... (Barsan:5) (2.8)

Dari persamaan–persamaan diatas, didapat hubungan persamaan untuk sensitivitas

sensor (G/G0) sebagai berikut :

G

G

eV

kT p0

0 11

1

exp .................................................. (Barsan:5) (2.9)

Pada saat tidak ada gas (p=0), persaman sensitifitas menjadi bernilai 1 (G/G0=1).

Pada konsentrasi gas tinggi (tekanan tinggi), yaitu ketika (p/ )>>1, maka

sensitivitas mencapai titik saturasi :

G

Ge

sat

eV

kT

0

0

.

................................................................................. (Barsan:5) (2.10)

18

Dari persamaan (2.12) dan (2.13), didapatkan persamaan :

c

satG

G

G

G 1

11

.00

.................................................................... (Barsan:5) (2.11)

Dengan c adalah konsentrasi gas (dalam ppm), (G/G0)sat dan adalah parameter

yang didapatkan dengan memadukan persamaan dengan data percobaan

(Barsan:5).

2.4.3 Mekanisme Kerja Sensor

Mekanisme transport listrik pada sensor gas terjadi akibat adanya

perubahan konsentrasi muatan dalam material semikonduktor yang disebabkan

adanya proses chemisorption yang mengarah pada transfer muatan dari partikel

adsorbsi (gas) ke permukaan sensor.

Gambar 2.8 Diagram pita energi dalam proses chemisorption

Evac before

Xgas

Evac after

e Vs

(Ec-EF)b

before Ec after

Ec before

EF

Ess

Ev

Xads

e-

19

Secara teoritis, transfer muatan dari partikel adsorbsi ke material sensor

dapat dipahami dengan mengamati skema pita energi seperti pada gambar 2.8

Pada gambar tersebut diperlihatkan terjadinya interaksi antara partikel tipe aseptor

dengan semikonduktor tipe-n. Proses chemisorption tersebut menimbulkan

penurunan konduktivitas permukaan , penaikan band bending e Vs pada

permukaan dan merubah afinitas elektron . Asumsikan kondisi sebelum

chemisorption adalah kondisi flat band dimana e Vs = 0 sehingga konduktivitas

yang terukur adalah konduktivitas bulk

= e( b,nN + b,pP).....................................................(2.12)

Konduktivitas permukaan ditentukan oleh kontribusi dari mobilitas

rata-rata s,n dan s,p dari elektron dan hole dengan konsentrasi N dan P

persatuan luas dalam lapisan ruang muatan yang terbentuk akibat adanya proses

chemisorption [W.Gopel, 1985].

= e( s,n N + s,p P)..................................................(2.13)

Konduktivitas yang terukur merupakan penjumlahan dari konduktivitas

permukaan dengan konduktivitas bulk b.

= e( s,n N + s,p P) + e( b,nN + b,pP)...........................................(2.14)

Jika struktur elektronik dari bulk dengan konsentrasi elektron bebas, hole

dan muatan –muatan cacat titik diketahui, maka dengan menggunakan persamaan

poisson kita dapat menentukan band bending e Vs dan muatan per satuan luas Qsc

dalam lapisan ruang muatan. Muatan parsial dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan :

= Qsc/ens............................................................(2.15)

20

dengan ns adalah konsentrasi spesies adsorbsi.

Dari hasil eksperimen dapat ditentukan perubahan fungsi kerja dan

perubahan band bending e Vsyang dapat mengarahkan kita pada perkiraan

perubahan afinitas elektron dari persamaan:

= - e Vs + + (Ec-EF)b...................................(2.16)

Asalkan variasi posisi level Fermi dalam bulk (Ec-EF)b dapat diabaikan,

jika difusi atom atau ion pada bulk diabaikan. Dengan mengetahui momen dipole

ad, kita dapat mengetahui perubahan afinitas elektron dengan persamaan:

= e( s 0)-1 ad

ns..........................................................(2.17)

Pada umumnya, perubahan resistivitas material sensor ketika bereaksi

dengan gas dipengaruhi oleh reaksi atom – atom oksigen di udara dengan atom –

atom oksigen di permukaan lapisan sensor. Reaksi ini merubah potential barrier

antar ikatan atom.

Reaksi diawali ketika lapisan material sensor mengikat oksigen dari udara,

oksigen tersebut menjadi bermuatan negatif sehingga terbentuk potential barrier

yang disebut Schottky barrier. Ketika ada gas (misal: gas CO), maka gas ini akan

bereaksi dengan oksigen yang telah terikat pada permukaan lapisan sensor

(CO+O2-

CO2+2e-) yang mengakibatkan perubahan Schottky barrier. Dengan

mengacu pada persamaan reaksi kesetimbangan antara gas CO dan SnO2, yang

merupakan reaksi antara atom – atom O2 di permukaan dengan molekul – molekul

CO dari udara, yaitu :

SnO2+2CO 2Sn+2CO2+2e

21

Pada umumnya, sinyal respon sensor (bertambah atau berkurangnya nilai

resistans) ditentukan menurut jenis material sensor dan gas yang disensor. Untuk

gas, digolongkan menjadi gas pengokidasi dan gas pereduksi, sedangkan untuk

material sensor dapat diklasifikasikan menjadi material tipe–p atau tipe-n sesuai

dengan respon sinyalnya. Pada material tipe-p, nilai resistans akan bertambah

ketika bereaksi dengan gas pereduksi., dan resistansi akan berkurang terhadap gas

pengoksidasi, hal ini berlaku sebaliknya terhadap material tipe-n (Cirera,2000:29).

Sensitive layer atau lapisan material sensor merupakan bagian yang

berinteraksi langsung dengan gas, yang reaksi elektrokimia terjadi di

permukaannya. Lapisan ini terbuat dari bahan SnO2, yaitu bahan metal oxide tipe-

n yang sensitif terhadap molekul – molekul gas pereduksi.

Gambar 2.9 Mekanisme pendeteksian gas oleh lapisan metal oksida

Terjadinya akses oleh partikel metal oksida bagian dalam terhadap gas.

Hal ini bisa dipahami dengan menganggap terjadinya reaksi antara gas dengan

permukaan metal oksida sebagai sebuah proses difusi ke arah substrat (bulk) dari

22

divais sensor. Parameter yang berpengaruh diantaranya adalah ukuran porositas

dan ketebalan lapisan metal oksida.

2.4.4 Bagian Bagian Sensor

Gambar 2.10 Struktur Sensor Gas Teknologi Film Tebal

Sumber : Weimar,2003

Secara garis besar, sensor gas teknologi thick film ini tersusun atas

sepasang elektroda, pemanas dan sensitive layer yang peka terhadap rangsangan

gas, yang kesemuanya dicetak pada kepingan substrat dari bahan alumina (Al2O3)

96%, dengan struktur seperti dalam Gambar 2.10

Substrat

Material utama yang digunakan dalam teknologi film tebal adalah substrat

dan pasta. Substrat merupakan media tempat komponen film tebal

diimplementasikan, sedangkan pasta adalah bahan pembentuk komponen film

tebal, yang diformulasikan sedemikian rupa sehingga dapat dibentuk melalui

proses pencetakan. Substrat yang digunakan biasanya adalah dari Alumina yang

memiliki keunggulan dalam hal kekuatan fisik, sifat-sifat listrik, serta sifat-sifat

thermis. Kemurnian keramik alumina yang digunakan antara 95%-96%,

23

sedangkan 4%-6% biasanya berupa campuran antara kalsium, magnesium, dan

silica yang ditambahkan untuk meningkatkan reaktifitas alumina pada proses

terbentuknya ikatan antara substrat dengan thick film. Alumina dengan kemurnian

99% jarang digunakan karena permukaannya terlalu halus, sedangkan adhesi yang

lebih kuat akan terbentuk justru pada permukaan kasar.

Sebagai media tempat komponen direalisasikan, suatu substrat harus memenuhi

beberapa kriteria berikut ini :

A. Kekuatan mekanik

Substrat harus dapat melindungi komponen yang ditempatkan di atasnya, tidak

mudah patah atau berubah bentuk.

B. Tahan suhu tinggi

Pasta-pasta film tebal tertentu membutuhkan pemprosesan pada suhu tinggi.

Karena itu substrat yang digunakan harus tahan pada suhu tersebut tanpa

mengalami perubahan.

C. Inert

Selain suhu tinggi, pada proses pabrikasi film tebal, substrat berhadapan dengan

berbagai bahan kimia, baik yang berasal dari pasta atau efek samping

pemprosesan. Substrat tidak boleh bereaksi dengan bahan-bahan kimia tersebut.

D. Resistivitas

Substrat harus merupakan isolator elektrik yang baik, dengan kata lain harus

memiliki resistivitas yang sangat tinggi.

24

E. Konstanta dielektrik

Konstanta dielektrik substrat harus serendah mungkin, untuk menghindari efek

kapasitas parasitik yang mungkin timbul antar penghantar atau antar komponen.

F. Konduktifitas termal

Substart yang baik harus bersifat konduktor panas untuk mengurangi pemanasan

lokal yang diakibatkan disipasi oleh komponen tertentu.

Elektroda

Elektroda yang digunakan pada sensor gas film tebal pada umumnya

adalah sepasang elektroda berbentuk interdigital electrodes dari bahan nobel

metal semisal Au/Ag. Struktur tersebut dimaksudkan untuk meminimalisasi ruang

namun dapat mengoptimalkan daerah sensing, serta memudahkan dalam

penentuan nilai resistans. Penentuan nilai resistans pada elektroda ini sama dengan

penentuan nilai resistans resistor pada teknologi film tebal pada umumnya. Karena

konstruksi yang mempunyai sudut, maka cara perhitungan nilai reistansi dapat

dilihat dalam Gambar 2. 11 dan persamaan (2.18).

Gambar 2.11 Perhitungan Nilai Resistans Elektroda

Sumber : Haskard,1988:102

25

Rsw

l

w

lRAB 56.021

................................................... (Haskard:102) (2.18)

dengan: RAB adalah nilai resistans total (Ω)

Rs adalah lembar resistans (Ω/sq)

l adalah panjang jalur konduktor (mm)

w adalah lebar jalur konduktor (mm).

Adapun stuktur yang biasa digunakan adalah seperti dalam Gambar 2.12

Gambar 2.12 Elektroda Sensor Gas Film Tebal

Sumber : Weimar,2003

Heater

Temperatur adalah salah satu faktor terpenting yang menentukan

keberhasilan dari sensor yang bersifat chemoresistive. Distribusi temperatur yang

sesuai akan mempengaruhi tingkat selektifitas dan sensitifitas dari elemen sensor

ini.

Dalam pemanas (heater) teknologi film tebal untuk sensor gas, umumnya

dibuat dari pasta konduktif atau resistif (Au,Pt), namun ada juga yang memakai

bahan dielektrik jenis polymer . Umumnya heater dirancang di sisi belakang

substrat (berkebalikan dengan elemen sensor). Sehingga nilai resistans dari

26

lapisan aktif (yang merupakan parameter utama yang menunjukkan sensitifitas

sensor) sangatlah tergantung dari distribusi suhu, hal ini juga ditunjang oleh sifat

substrat sebagai penghantar suhu yang sangat baik.

Salah satu contoh bentuk dari heater teknologi film tebal dapat dilihat

dalam Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Heater sensor Gas Film Tebal

Sumber : Weimar,2003

Untuk menentukan karakteristik dari heater, parameter – parameter yang

harus diperhatikan diantaranya adalah: suhu yang diinginkan, daya yang

dibutuhkan, dan luasan daerah yang ingin dipanasi, serta karakter dari bahan

heater itu sendiri (TCR, disipasi arus maksimum yang mampu melewati, dll).

Untuk itu, langkah - langkah yang ditempuh adalah sebagai berikut:

Yang pertama dengan menentukan temperatur, dan daya yang diinginkan.

VxIP .............................................................................................................. (2.19)

CHC

CH

CRTTR

RRT

610 .................................................................................. (2.20)

dengan :

P : Daya rata – rata (W)

V : Tegangan sumber (V)

27

I : Arus heater (A)

TCR : Temperature Coefficient Resitance (oC)

RH : Resistans pada suhu operasi (Ω)

RC : Resistans pada suhu acuan (Ω)

TR : Suhu operasi (oC)

TC : Suhu acuan (oC)

Dengan menentukan daya P dan arus I, maka nilai RH didapat dengan :

IVRH ................................................................................................... (2.21)

Selanjutnya dengan menentukan nilai TCR dari data sheet, suhu acuan TC

dan suhu operasi TH, serta memasukkan hasil persamaan (2.20) ke persamaan

(2.21), maka akan didapat nilai RC.

Setelah nilai RC didapat, maka dapat ditentukan dimensi dari heater

dengan mengacu pada persamaan berikut :

w

lRR SC ................................................................................................ (2.22)

dengan : RS adalah nilai lembar resistans (Ω/sq)

l adalah panjang koduktor heater (mm)

w adalah lebar konduktor heater (mm)

28

Selanjutnya dengan menentukan nilai w, maka nilai l akan didapat, dan

juga total area l x w yang menentukan nilai power density dari heater (Electro-

Science Laboratory.com;2004).

Sebagai catatan nilai maksimum power density yang diijinkan adalah 40 W/mm2,

namun pada kasus tertentu bisa sampai 100 W/mm2

(Haskard,1988:98).

Lapisan Sensitif

Sensitive layer atau lapisan material sensor merupakan bagian yang

berhubungan langsung dengan gas, dimana reaksi elektrokimia terjadi di

permukaan lapisan ini. Lapisan ini terbuat dari bahan SnO2, yaitu bahan metal

oxide tipe-n yang mempunyai celah energi yang relatif lebar (3.6 eV)

(Hann,2003:15).

Gambar 2. 14 Gambar Pita Energi Atom SnO2

Sumber: Hann,2003:15

29

Dimensi dari lapisan ini (yang mewakili konsentrasi SnO2) akan

menentukan jangkauan pengukuran sensor. Adapun teori penentuan dimensi

lapisan sensor adalah sebagai berikut :

Hal pertama adalah menentukan jangkauan pengukuran maksimal dari dari sensor

dalam satuan ppm. Karena pada proses ini yang terjadi adalah reaksi gas, maka

satuan ppm dirubah menjadi mol/L.

Dengan menganggap gas adalah gas pada kondisi ideal, persamaan yang

digunakan adalah sebagai berikut :

L

molppm

Lmol

15,24

1................................... (www.scottecatalog.com) (2.23)

Dengan mengacu pada persamaan reaksi kesetimbangan antara gas CO dan SnO2,

yaitu XO2+2YO 2X+2YO2+2e , maka dapat diketahui perbandingan

molaritas antara gas gas pereduksi dan SnO2.

Dengan mengacu pada persamaan (2.21) maka mol SnO2 akan didapat.

Selanjutnya massa dari SnO2 didapat dengan persamaan :

M

mn ..................................................................................................... (2.24)

dengan :

n : molalitas ( mol )

m: massa ( gram )

M: Molaritas ( gram/mol )

30

Selanjutnya dengan melihat density ( ρ ) dari data material didapat dimensi

(volume) dari lapisan sensor, menggunakan persamaan:

V

m ...................................................................................................... (2.25)

dimana :

ρ : density / massa jenis ( gram/volume )

m : massa material ( gram )

V : Dimensi / volume ( satuan volume )

Dengan menentukan tebal lapisan, maka luas dari lapisan sensor akan diperoleh.

2.4.5 Teknologi Thick Film

Teknologi film tebal adalah suatu teknologi penyambungan komponen

elektronika menggunakan bahan pasta konduktif, resistif atau induktif yang

dikerjakan pada substrat keramik. Pengerjaan dilakukan melalui suatu proses

berulang-ulang mulai dari cetak sablon, pengeringan dan pembakaran pada suhu

tinggi. Proses pembakaran dengan suhu tinggi menghasilkan struktur yang stabil

dan kuat dengan daya kerja elektris dan termis yang sempurna

[http://www.elektroindonesia.com].

Teknologi film tebal terdiri atas sejumlah proses yang diulang beberapa

kali dengan urutan tertentu. Prosesnya meliputi pembuatan screen, pencetakan dan

pembakaran. Pada proses standar ini ditambahkan juga proses pembersihan,

penyolderan, pengujian dan pengemasan [http://www.elektroindonesia.com].

31

Senyawa Pembentuk Pasta Konduktor

Pasta konduktor yang dikeluarkan pabrik merupakan hasil campuran dari

berbagai senyawa. Susunan atau komposisi senyawa pembentuk pasta merupakan

rahasia pabrik. Tetapi pada umumnya pasta konduktor disusun dari tiga senyawa

utama, yaitu [ http://www.elektroindonesia.com] :

a. Partikel-partikel Logam atau Paduan Logam

Partikel-partikel ini merupakan komponen utama pembentuk lapisan konduktor.

Logam yang digunakan harus tahan terhadap suhu tinggi. Untuk itu, digunakan

logam mulia.

b. Senyawa Gelas

Senyawa gelas berfungsi sebagai pengikat partikel-partikel logam serta

pembentuk lapisan yang memungkinkan penempelan partikel-partikel logam pada

substrat. Senyawa gelas yang sering digunakan antara lain, yaitu: Bismuth Oksida,

Cadmium Oksida dan Timbal Borrosilikat.

c. Senyawa Organik

Senyawa organik dalam pasta berfungsi sebagai senyawa yang memberikan sifat

fluida pada partikel-partikel logam dan senyawa gelas. Dengan terbentuknya sifat

fluida, maka pasta dapat dicetakan pada substrat dengan metode screen printing.

Senyawa organik yang biasanya digunakan antara lain, yaitu: terpenten dan resin.

Jenis Pasta Konduktor

Pasta konduktor yang digunakan untuk membentuk sistem dengan

teknologi film tebal dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan sistem logam

pembentuknya, yaitu sistem logam tunggal dan sistem logam paduan.

32

a. Sistem logam tunggal

Sistem logam tunggal yang digunakan dalam pembentukan pasta konduktor ini

merupakan sistem yang pertama kali dibuat oleh pabrik pada awal kemunculan

teknologi ini. Logam yang pertama kali dipergunakan dalam membentuk pasta

adalah logam Perak dan hingga kini masih banyak dipergunakan karena harganya

murah, daya lekatnya tinggi dan mudah disolder. Dan kelemahan Perak adalah

ion-nya mudah mengalami migrasi.

b. Sistem logam paduan

Untuk mendapatkan sistem pasta dengan harga yang lebih murah dan kemampuan

yang tidak kalah dari sistem logam tunggal, maka diusahakan pembuatan pasta

dengan sistem logam paduan. Sistem logam paduan yang hingga kini telah

dikembangkan antara lain, yaitu: Platina-Emas, Palladium-Perak, Palladium-Emas

dan lain-lain.

Pencetakan Konduktor

Dalam pembuatan konduktor ini digunakan pasta konduktor Palladium-

Perak. Logam Perak dipergunakan karena harganya murah, daya lekatnya tinggi

dan mudah disolder. Kelemahan Perak adalah ion-ion Perak dapat mengalami

migrasi membentuk dendrit sehingga dapat menyebabkan hubungan dengan jalur

lain. Untuk mengurangi kelemahan Perak, maka dilakukan pencampuran Perak

dengan Palladium. Dengan pencampuran Palladium, maka sifat migrasi ion Perak

dapat dikurangi dan harga pasta yang dihasilkanakan lebih murah. Tetapi sebagai

akibat buruk pencampuran Palladium dalam Perak adalah semakin besarnya harga

resistansi dari konduktor yang dihasilkan [http://elektroindonesia.com].

33

Penyaputan berfungsi untuk memindahkan pasta ke atas substrat dengan cara

menekan pasta pada screen. Tegangan permukaan akan menahan pasta pada

substrat saat posisi screen kembali ke keadaan semula. Karena itu bentuk, bahan

dan tekanan penyaput sangat penting untuk menjamin umur penyaput dan screen.

Bahan yang digunakan sebagai penyaput adalah neoprene, polyrethane, dan viton.

Posisi penyaput harus menjadikan sisi tajam membentuk sudut 45° sampai

60°terhadap permukaan screen.

Fungsi Konduktor Film Tebal

Fungsi konduktor dalam rangkaian elektronika yang memanfaatkan

teknologi film tebal adalah [http://www.elektroindonesia.com] :

a. Jalur Interkoneksi

Biasanya konduktor berfungsi untuk memindahkan sinyal dari bagian yang satu

ke bagian yang lain. Untuk melakukan fungsi tersebut maka konduktor harus

mempunyai daya hantar yang cukup baik

b. Terminal untuk Resistor

Konduktor mempunyai fungsi sebagai terminal resistor yang akan turut

menentukan dimensi resistor. Yang perlu diperhatikan adalah bahan konduktordan

bahan resistor harus mempunyai daya ikat yang cukup baik.

c. Konduktor Tempat Penyolderan Lead (Pad)

Dalam suatu sistem elektronika yang kompleks biasanya terdiri atas gabungan

antara sistem yang satu dengan sistem yang lain. Untuk menghubungkan antara

sistem yang satu dengan sistem yang lain tersebut, maka diperlukan kaki(lead).

Dalam suatu sistem yang dibuat dengan teknologi hibrida film tebal, maka kaki

34

ini dilekatkan pada konduktor yang terletak di tepian substrat. Konduktor tempat

menempelnya kaki tersebut biasanya disebut dengan pad.

d. Konduktor untuk Crossover

Dalam suatu sistem elektronika yang kompleks biasanya terjadi jalur konduktor

yang satu harus bersilangan dengan jalur konduktor yang lain tanpa ada kebocoran

sinyal. Untuk mencegah kebocoran sinyal, maka dibutuhkan penyekatan dengan

bahan dielektrik di antara kedua jalur konduktor yang bersilangan tersebut.

Lapisan penyekat tersebut biasanya disebut crossover.

e. Elektroda Kapasitor

Kapasitor dalam teknologi film tebal dapat dibuat dengan jalan membuat lapisan

konduktor sebagai lapisan dasar atau lapisan pertama, kemudian diikuti dengan

membuat lapisan dari bahan dielektrik dan kemudian dilapisi lagi dengan

konduktor sebagai lapisan ketiga.

f. Konduktor Tempat Mengikatkan Chip

Komponen aktif dalam bentuk chip seperti transistor, dioda atau IC seringkali

dipasangkan pada substrat dengan cara pengikatan menggunakan kawat emas.

Konduktor yang digunakan adalah dengan kadar emas tinggi sehingga

menghasilkan ikatan yang baik dengan kawat emas.

g. Konduktor untuk Membuat Resistor dengan Harga Rendah

Untuk membuat resistor film tebal dengan harga rendah, maka dapat digunakan

konduktor. Konduktor yang dibuat berbentuk labirin.

35

h. Konduktor untuk Pengepakan (Packing)

Salah satu cara untuk melindungi rangkaian hybrids-IC dari kondisi lingkungan

ialah dengan menutup rangkaian tersebut dengan tutup yang terbuat darilogam.

Tutup logam disolderkan pada substrat yang terlebih dahulu diberi lapisan

konduktor di sekelilingnya.

Teknologi film tebal memiliki banyak keuntungan, antara lain

[http://www.elektroindonesia.com] :

a. Daya hantar termal tinggi (96% alumina) = 0,890 W/(oC*in)

b. Daya kerja RF dan frekuensi yang sempurna

c. Konstanta dielektrik (96% alumina) = 9,5 ± 0,2 (1 kHz - 10 GHz)

d. Memperkecil nilai impedansi pertautan jaringan

e. Meningkatkan densitas

f. Mengurangi ukuran dan berat

Screen

Screen merupakan tenunan berlubang-lubang yang terbuat dari serat.

Fungsi screen adalah sebagai tempat pembentukan pola yang akan dicetak dan

menentukan ketebalan pasta yang dilekatkan. Serat yang digunakan untuk

membentuk jaring-jaring suatu screen terbuat dari berbagai macam bahan. Tiga

jenis bahan yang sering digunakan adalah polyester, nylon,dan stainless steel.

Ukuran screen yang digunakan adalah 200-300 mesh.

Syarat-syarat rangka screen yang utama :

a.Tidak berubah bentuk dalam segala temperatur.

36

b. Rangka screen harus bebas dari permukaan-permukaan yang kasar dan

benjolan-benjolan benda yang tajam.

c. Bagian rangka screen yang bertemu dengan gasa screen harus halus dan licin.

d. Pada bagian sudut-sudut rangka screen harus agak bulat.

f. Rangka screen tidak berubah dalam keadaan basah atau dalam keadaan kering.

g. Tahan terhadap bahan-bahan kimia yang digunakan dalam proses pencetakan.

Screen Mask

1. Screen mask terdiri dari kerangka, dan screen mask yang ditarik dan dilekatkan

pada kerangka.

2. Emulsi sensitive cahaya yang dilapiskan pada screen.

3. Dengan proses pemanasan menggunakan sinar dengan panas tertentu, lapisan

emulsi akan hilang dari bagian yang tertutup film sablon. Sinar yang digunakan

pada umumnya sinar matahari.

4. Dalam proses pencetakan, pasta melewati screen melalui daerah yang tidak

terlapis emulsi dan ditahan oleh area yang dilapisi emulsi.

2.4.6 Resistor Film tebal

Resistans resistor berbanding lurus dengan resistivitas bahan (ρ) dan

panjang (l) serta berbanding terbalik dengan luas penampang (A) yang tegak lurus

arah aliran arus. Secara matematis dapat dituliskan sebagai:

A

lR ................................................................................................... (2.26)

37

dengan: ρ : resistivitas ( mm)

l : panjang resistor (mm)

A : luasan yang tegak lurus arah aliran arus (mm2)

R : resistans ( )

Luas penampang (A) yang tegak lurus arah aliran arus resistor merupakan

perkalian ketebalan film (t) dengan lebar (w). Pernyataan tersebut dapat ditulis

dengan persamaan:

wtA ................................................................................................... (2.27)

dengan: A : luasan yang tegak lurus arah aliran arus (mm2)

t : tebal resistor (mm)

w : lebar resistor (mm)

Subtitusi persamaan (2.25) ke persamaan (2.24) memberikan hasil sebagai

berikut:

wt

lR ................................................................................................ (2.28)

dengan : t

Rs ...................................................................................... (2.29)

Maka persamaan (2.26) menjadi:

w

lRsR ................................................................................................. (2.30)

38

dengan: R : resistans resistor(Ω)

Rs : resistivitas dari pasta ( mm)

t : ketebalan (mm)

l : panjang resistor (mm)

w : lebar resistor (mm)

Konstruksi resistor film tebal bisa dilihat dalam Gambar 2.15

Gambar 2.15 Gambar Konstruksi Resistor

Sumber: Haskard,1984:140

39

2.5 Metode Hein

Untuk menentukan ukuran butir maka digunakan metode Hein yaitu dengan

menggunakan persamaan seperti berikut:

kpv

nLL

.......................................................................(2.31)

Keterangan:

L = Ukuran butir (µm)

n = Banyaknya garis

L = Panjang garis

v = Perbesaran SEM

kp= Banyaknya butir