Kajian Pembuatan Sensor Magnetoresistif Berbasis Bahan Lapisan Tipis Permalloy NiJe2o (Fahru Nurosyid)

KAJIAN PEMBUATAN SENSOR MAGNETORESISTIF BERBASISBAHAN LAPISAN TIPIS PERMALLOY N~oFe2o

Fahru Nurosyid1, Karnsul Abrahaz, Agung Barnbang S.U.Z1 Jurusan Fisika FMIPA UNS. Surakarta

2Jurusan Fisika FMIPA UGi\1; Yogyakarta 55281

ABSTRAK

KAJIAN PEMBUATAN SENSOR MAGNETORESISTIF BERBASIS BAHAN LAPISAN TIPISPERMALLOYNisoFe20' Telah berhasil dilakukan pembuatan sensor medan magnet dengan metoda magnetoresistifBahan sensor menggunakan lapisan tipis magnetik permalloy NiaoFe20 hasil deposisi dengan metode sputtering.Sistem sensor menggunakan sistemjembatan Wheatstone (Wheat.\'tone bridge) yang menggunakan perbandinganR2 :R, = 1 : 5 (1000 ohm: 5000 ohm) untuk memperoleh keluaran yang optimum. Tegangan yang dibutuhkan

untllk mengoperasikan sensor adalah :!: 9 volt. Daerah kerja sensor dalam orde 10-4 sampai dengan 10-\ testadiperoleh setelah sensor dikalibrasi.

Kata kunci : Magnetore.vistij; permalloy, sputtering, sensor medan magnet.

ABSTRACT

A STUDY OF MAGNETORESISTlVE SENSOR FABRICATION USING PERMALLOYN~oFe2oTHIN FILM MATERIALS.A magnetic field sensor fabrication with magnetoresitive method has been succesfullydone. A NisoFe2openna/loy magnetic thin film, which is produced by deposition of sputtering method, is used asa sensor material. The sensor system is based on Wheatstone bridge method using ratio ~ :~ = 1 : 5 (1000 ohm: 5000 ohm) to obtain the optimum output. The voltage requirement to operate the sensor is about 9 volt. Thesensor range which is around of 10-4 to 10.3 tesla could be determined after the sensor has been calibrated.

Key word\" : Magneticresistif method, permalloy, sputtering, magnetic field sensor.

PENDAHULUAN

mendukung adalah bahwa bahan tersebut mempunyaiefek magnetoresistif yang cukup tinggi dalam bentuklapisan tipis yaitu 2,2 % [2] sehingga diharapkandiperoleh sensor medan magnet yang sensitif.

Di dalam penelitian ini akan pula dilapoli<an prosespengukuran daD kalibrasi sensor medan magnet magnet.Yang akhirnya diharapkan akan dihasilkan alat sensormedan dengan sensitivitas tinggi.

LANDA SAN TEORI

Sensor magnetoresistif merupakan sensor yangmemanfaatkan perubahan hambatan (resistance) yangdisebabkan pembahan medanmagnet, sehingga termasuksensor medan magnet. Karena karakter yang dipengamhimedan magnet adalah harnbatan listrik, pengukuran dapatdilakukan melalui alat elektronik sederhana[2].Keunggtllan sensor magnetoresistif selain termasukdalam kelompok sensor yang mempunyai sensitivitastinggi [2], juga mempunyai penarnpilan yang baik dan tidakbembah dalam lingkungan keras[5].

Dalam penelitian ini akan dilaporkan pembuatansensor magnetoresistif dengan memanfaatkan lapisantipis yang dideposisi daTi paduan bahan ferromagnetikpermalloy NisoFe2o' Bahan ini sengaja dipilih denganalasan karena ia mempunyai tetapan magnetostriksi nol(zero -magnetostriction)[2]. Artinya tidak perlu

diperhitungkan lagi kemungkinan munculnya pembahanstmktur kekisi (lattice) yang diakibatkan oleh medan mag-net sehingga diharapkan bahwa kepekaan bahan tersebutterhadap medan magnet cukup hanya terkait langsungdengan sifat resistivitas listriknya. Permalloy juga sangatcepat merespon medan magnet yang berasal daTipembahan ams yang terjadi[4]. Alasan lainnya yang

Bahan magnetik sebagai penghantar listrik dapatmenunjukkan efek magnetoresistansi; artinya, resistivitas1 istrik bergantung pada arah vektor magnetisasi [3 ]. Nilairesistivitas lapisan tipis magnetik akan berbeda ketikadiukur secara tegak tUTuS atau sejajar terhadap arahmagnetisasi lokal. Besar perubahan resistivitas listrikdengan adanya efek magnetoresistansi anisotropi dapatditulis sebagai berikut :

LJp = p//-p..L~O (I)

Jika diasumsikan bahwa kontribusi hanya berasal daTiefek magnetoresistansi anisotropi murni, maka hukumOhm dapat ditulis dalam notasi tensor sebagai berikut

1

Vol. 2 No.1, Oktober 2000, hal: 1 -6ISSN: 1411-1098

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

( ~) yang didefinisikan sebagai :

~..t= 2K/(l-loM,).~int= 2K/(l-loM) (10)

Anisotropi efektif didefinisikan sebagai :

K*=K+I/21IDM2""0 ,K*=K+I/21-l0DM,2 (11)

sehingga medan anisotropi efektif dapat dituliskansebagai

Ex = pIx +i~pIx cos2a (4)

Ey = :-'~pJ x sin2a (5)2

Ada 3 konstribusi untuk menghitung energi lapisan:Energi medan (tenaga penyimpangan M,

terhadap H.)

sehinggasin~ = (j.loM, /K *)H. (16)

atausinp = H.I ~ * (17)

J ika persamaan (17) dirnasukkan ke dalam persamaan (4)dengan tetap rnengarnbil cx. = p rnaka diperoleh

Ex= p.lJ -~pJ (H./~ *)2 (18)

RMR = R -L\Rl l!!!.-H*k

(20)

f:H = -lloH. .M.f:H = -Il/f a' M, (6)

Energi anisotropi (tenaga penyimpangan Mterhadap sumbu mudah) .

f: K=Ksiw/3f: K=Ksiw~ (7)

Energi demagnetisasi (tenaga penyimpangan M.terhadap sumbu lapisan)

f:d = 1/21loD M.2Siw<J. (8)

Dari persamaan (6), (7), (8) diperoleh rapat energi bebastotallapisan yaitu :f: = ENol = Ksiw~ + l/2lloD M.2siwa -lloH.. M. (9)

H. adalah medan luar yang digunakan, faktor Y2 padasuku kedua adalah konsekuensi daTi interaksi dwikutub-dwikutub satu dengan yang lain, clan D adalah faktordemagnetisasi. Untuk kasus t « w digunakanpendekatan D = t/(t+w), dengan t ketebalan dan w lebar

lapis<m[3].Kekuatan anisotropi ditunjukkan oleh medan anisotropi METODEPENELInAN

Dalam pembuatan sensor magnetoresistif inidigunakan sistem jembatan Wheatstone (Wheatstonebridge) sebagai rangkaian sensor. Lapisan tipis NiFesebagai sensor dirangkai membentuk jembatanwheatstone seperti Gambar 3.

Jika ~R.~ == R.z .R4, tidak acta arus 15 (15 =0). Dan

hila lapisan tipis dikenai medan luar, sehingga terjadiperubahan RMR, akan mengakibatkan ~R.~ ~ R.z.R4.lnimemungkinkan I~ tidak Dol daD I~ diukur sebagai keluaran

sensor.

2

dengan V MR adalah tegangan magnetoresistif, i aros yangmengalir pacta sensor, R dan £\R adalah hambatansensor dan perubahan maksimum hambatan sensor.Persamaan (19) berlaku selama f3 konstan pacta semualapisan. Akhimya ~R hambatan magnetoresistif.

-2

Kajian Pembuatan Sensor Magnetoresistif Berbasis Bahan Lapisan Tipis Permalloy NiJe20 (Fahru Nurosyid)

Dengan mengunakan hukum Kirchhof I dan II diperolehhubungan seperti persamaan (21);

Penelitian ini dilaksanakan dalam dua tahap sebagai

berikut :

1. Pembuatan Sistem Sensor

Dalam pembuatan sensor, bahan yangdigunakan adalah komponen elektronik dan alat yangdigunakan adalahpowersupp/y,dan multimeter digital.Pembuatan sistem sensor dilaksanakan dalam tigasub-tahap.

;\'~

-j,.

..~6

1

Gambar 2. Rangkaian jembatan Wheatstone

~~

j\~r v

a. Sub-tahap pertama Optimalisasi keluaran sensor

Membuat rangkaian seperti Gambar 2 sertadilakukan variasi petbandingan antara ~ dan ~ untukmemperoleh basil keluaran yang paling optimumdengan melakukan perubahan ~R sebesar 1 ohm.

b. Sub-tahap kedua linearisasi keluaran sensor

Setelah memilih perbandingan ~ dan ~ dengankeluaran paling optimum daD dibuat rangkaian sepertiGambar 2 maka lalu divariasi ~R dengan menggantibesamya hambatan daD diukur IJ daD 15

c. Sub-tahap ketiga pencocokan basil pengukuransecara langsung dengan basil yang menggunakansistem seperti Gambar 2

Dilakukan pengukuran secara langsungberrnacarn-rnacarn resistor dengan 3 rnultirneter digital(A,B danC) dengan rnerek sarna, kernudian resistor-resistor tersebut dipasang pada ~R selanjutnya diukur15 daD I),

2. Pengkalibrasian sensor

Dalam pengkalibrasiaan sensor, alat yang dipakaiadalah rangkaian sistem sensor, powersupp/y, sumbermedan dan teslameter. Sedang bahan yang digunakanadalah lapisan tipis permalloy NisoFe2o basil sputtering.

Lapisan tipis dipasang pada ~R dan diletakkanpada sumber medan. Selanjutnya rangkaian disambungdengan sumber arus (lihat Gambar 3). Besarnya medanlalu divariasi dan diukur perubahan 13 dan Is' Akhirnya I)dan Is basil ukur dimasukkan ke dalam program I(Lampi ran) untuk memperoleh besarnya ~R sehinggadapat dilakukan kalibrasi dengan Hs'

Gambar 3. Rangkaian sensor di dalarn sumber medan

15 = [Rtot -(RMR + R2)]I + 13 (RMR + R2) (21)

Dari persamaan (21) daD mengingat bahwa

R -R + (RMR +RbXRc +R4} .tot -a (RMR +Rb)+(Rc +R4) maka dlperoleh

persamaan kuadrat dalam ~R.yaitu:

dengan:

a = [- 15 -I + 13] (22a)

[-I5(~

+~+Rc)+I3(R2 +~ +~+Rc)+I(R., -~ -~)]

(22b)

b=

BASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam teknis pelaksanaannya penelitian inimengikuti dua tahap yaitu (i) tahap pertama : pembuatansistim sensor, daD (ii) tahap kedua : pengkalibrasiansensor.

C = V(Ra -R2XRb +R4 +Rc)+ IRb(R4 +R.)+ 13R2(Rb +R4+ Rc)]

(22c)Apabila RMR berubah karena medan luar (H.), semuaparameter dalam persamaan (22a,b,c) tetap kecuali I, daDI). J adi apabila 13 daD 15 berubah maka ~R juga berubahdan perubahannya dapat dicari dengan mencariakar-akarpersamaan (22). Bila RMRditemukan maka H.juga dapatdicari dengan persamaan (19).

Secara sederhana dapat dituliskan :

dan I J -..~~-. RI. -~~;;~]- -..H.Pembuatan sistem sensor

Untuk memudahkan dibuat program (terlampir)Pembuatam sistem sensor dilaksanakan dalam tiga sub-tahap'yaitu :

3

Vol. 2 No.1, Oktober 2000, hat: 1 -6ISSN: 1411-1098

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

a. Sub-tahap pertama optimalisasi keluaran sensor tinggi, yaitu dua kalinya (18 volt), sedang untuk nilai~ =100 ohm, keluaran Is hanya setengahnya (3,2 /.LA)(Gambar4.a).Dengan memvariasi perbandingan antara ~ dan

~ dan dengan merubah RMR sebesar I ohm maka basilkeluaran sensor yang diperoleh adalah seperti pactaGambar 4. Dilihat daTi Gambar 4, tampak bahwapeIbandingan ~ : ~ yang menghasilkan keluaran yangtertinggi adalah I : 5. Untuk itu dipilih peIbandingan ~ :~ = I : 5. !ika hambatan ~ semakin besar, rnaka keluaran

juga semakin besar. Namun hal ini mengakibatkantegangan yang dibutuhkan juga semakin besar. Untukitu perlu dipilih ~ yang menghasilkan keluaran yangoptimum. Didalam penelitian ini dipilih nilai~ = 1000

(Gambar 4.b) perbandingan ini menghasilkan keluaran Is= 6 ~ A untuk perubahan RMR sebesar I ohm, sedangtegangan yang dibutuhkan sebesar 9 volt. Nilai ~ = I 000olun: dipandang lebih baik dibanding nilai ~ = 100 atau2000 ohm. Karena walaupun nilai ~ = 2000 ohm

menghasilkan keluaran yang lebih tinggi (6,39~A)(Gambar 4c) namun tegangan yang dibutuhkan juga

b. Sub-tahap kedua linearisasi keluaran sensor.

Untuk mengetahui apakah perubahan ~R lineardengan keluaran sensor (15 dan 13), maka dilakukanpengujian linearisasi , diperoleh hasil seperti Gambar 5.Dari Gambar 5 kelihatan jelas bahwa pembahan ~ tinierdengan perubahan 15 maupun 13. Ini sesuai denganpersamaan (21 ) yang menunjukan bahwa 15 dan 13 linearterhadap ~R. Dengan diperolehnya linearisasi antaraperubahan ~R dan Is maupun 13 maka sistem ini dapatdigunakan untuk metode deteksi dengan memanfaatkanperubahan ~R dan diukur 15 dan 13.

1,695

,69~.5..:'

,685

.68

115 120 125 130 135 140

RMR(O)

1'-'..7

65

<' 4:t'":;'. 3-')

~

75

60

45

30

15 '"0

15 120 125 130 135 140

RMR(O)

Gambar 5. Grafik linearisasi a) ~ dan I,. b) ~ dan I,

u c. Sub-tahap tiga pencocokan hasil pengukuran secaralangsung dengan hasil yang menggunakan sistemseperti Gambar 2

Tahapan ini dimaksudkan untuk mengetahuiapakah hasil keluaran sistem ini (1$ daD 13) setelahdirnasukkan mmus betul-betul menunjukkan pembahan~R. Dari data pengukuran dan setelah dimasukkan mmusdiperoleh hasil seperti dalarn Tabell.

Dari Tabell rnenunjukkan bahwa hasil pengukuranmenggunakan sistem sensor mengandung perbedaandengan hasil pengukuran secara langsung narnunperbedaan tersebut masih di dalam jangkauan ralat karenadaTi pengukuran secara langsung dengan menggunakan3 rnultimeter digital ketiga-tiganya tidak ada yangmenunjukkan angka yang sarna .Jadi pengukuran denganmenggunakan sistern sensor dapat dikatakan sarna

dengan pengukuran secara langsung.

20000

RJ (0)

150005000 100000

Gambar 4. Grafik keluaran sensora) untuk R2 = 100 ohm clan R3 = divariasi 10 -800ohm.b) untuk R2 = 1000 ohm clan R3 = divariasi 100 -8000 ohm.c) untuk R2 = 2000 ohm clan R3 = divariasi 200 -16000 ohm.

4

Kajian Pembuatan Sensor MagnetoresistifBerbasis Bahan Lapisan Tipis Permalloy NiJezo (Fahru Nurosyid)

Tabell Hasil pengukuran ~ secara langsung dan pengukuranR..R dengan sistem sensor

J2

0 0,5 1

Hu2Gambar 7. Grafik Rw. sebagai hambatan terhadap medanfungsi H;

F aktor pertama yang mempengaruhi sensitivitassensor adalah anisotropi magnetik yang tergantungstruktur lapisan tipis. Dalam hat ini kondisi prosespendeposisian lapisan tipis berperanan penting dalammenentukan struktur lapisan tersebut[5] .Faktor keduaadalah magnetoresistansi (l\R/R) .Sensor magnetoresistifmerupakan sensor yang mendeteksi medan magnetdengan perubahan hambatan lapisan sehingga kepekaansensor dapat dilihat daTi besarnya perubahan hambatansensor dibagi hambatan lapisan. Untuk basil sensor inisensitivitasnya kurang baik ini dilihat daTi ~R/R adalahkecil :t:O,43 %.

Untuk memperoleh sensor dengan sensitivitasyang lebih baik diperlukan perbaikan dalam prosespendeposisian lapisan tipis. Dengan perbaikan tersebut

diharapkan diperoleh lapisan tipis magnetik dengan ~kecil, karena ~ kecil akan meningkatkan sensitivitas [6].

Bahan sensor yang digunakan adalah lapisan tipispermalloy NisoFe20 basil sputtering, dengan tekananoperasi 9x10-2 mTorr, tegangan 3 Kvolt, arus 10 mA, suhusubstrat 250 DC, jarnk elektroda 3 cm, waktu deposisi 10menit dan diperoleh ketebalan dalam orde rnikrometer.

Setelah data (I, dan IJ yang diperoleh

dimasukan dalam program I (Lampiran) diperoleh graflkperubahan hambatan terhadap medan, seperti tampakpada Gambar 6.

KESIMPULAN

Lapisan tipis Permalloy Ni.oFe1o terbukti dapatdigunakan sebagai sensor magnetoresistif yangberbentuk sistem jembatan Wheatstone. Sensor bekerjadengan baik dalam jangkauan medan magnet 1 o~ sampai10-) tesla. Untuk meningkatkan sensitivitas sensordiperlukan peIbaikan dalam pendeposisian lapisan tipispennalloy NisoFe1o agar diperoleh Iapisan dengan 6.R/Rbesar daD ~ kecil.

Gambar 6. Orafik perubahan

UCAPAN TERIMA KASm

Penulis mengucapkan terima kasih kepada BapakSudjatmoko, Tono Wibowo, Bambang Siswanto, yangtelah membantu dalam pembuatan lapisan tipis di PPJYIM-BATAN Yogyakarta, Mas Kardi,Mas Farid, Mas HeridaD semua pihak yang telah membantu dalam pembuatansistem sensor di Laboratorium FMIPA UGM.

DAFTARACUAN

Dari graflk Gambar 6 dapat dil ihat bahwa lapisantipis sebagai bahan sensor dapat bekerja dengan baikpacta medan magnet 10-4 -10-3 tesla , karena hambatanlapisan berubah pad a medan tersebut.Untukmengkalibrasi sensor tersebut data daTi Gambar 6dimasukkan dalam persaman (20) yang telah dijabarkanmenjadi persamaan sebagai berikut:

Dengan ~R sebagai sumbu Y , H.2 sebagai sumbuX daD Rt/(Hk *f merupakan gradiennya sehinggadiperoleh graflk seperti tampak pacta Gambar 7.

Dari Gambar 7 diperoleh gradien -(0,061 :t:0,OO9)ohrn/(mTf daD dengan Rt (hambatan terkecil) =20,454 ohm sehingga diperoleh ~ * = (18:t: 3)mT. Setelahditemukan ~ * dimaskukan dalam program II. Dengan

demikian apabila diperoleh data (I, danl3) daTi sensordimasukan program II akan keluar H.yang dicari.

[1]. FERT and LOTTIS, D.K., Magnetotransport Phe-nomena, Encyclopedia o/Magnetic and Supercon-ducting, S.E. EVert5 eclition, Pergamon Press, (1992).

[2]. GOPEL, W., HESSE,J. and ZEMEL,J.N., Sensors.

comprehensive Survey, VCH, Weinheim, Gennany(1989).

s

Vol. 2 No.1. Oktober 2000, hal.. 1 -6ISSN: 1411-1098

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal o/Materials Science

[3). GROENLAND, J.P.J., EIJKEL,C.J.M., FLUI1MANJ.H.J. and RIDDER.R.M., Sensors and Actuators,A30 (1992) 89.

[4). WATSON, J. K., Magnetic Devices, Encyclopediaof Physical Science and Technology, 2nd edition,volume 9, Academic Press Inc, New York, (1994).

[5). YEH,T dan WITCRAFT,F.W., IEEE Trans. OnMagnetics, 31 (1995)3131.

6