BAB I

PENDAHULUAN

Sensor digunakan dalam kehidupan sehari-hari seperti sensitifitas sentuhan

tombol lift ( sensor taktil ) dan lampu yang redup atau mencerahkan dengan

menyentuh dasar. Banyak aplikasi sensor yang lain yang tidak pernah disadari

oleh manusia. Seperti aplikasi sensor yang terdapat pada mobil, mesin, obat-

obatan, pabrik dan robot. Sensor merupakan perangkat yang dapat menerima dan

menanggapi sinyal. Sensitivitas sensor dapat mengindikasikan banyaknya

perubahan output sensor yang diukur.

Sensor kapasitif dapat mengindera langsung berbagai hal, seperti: gerakan,

komposisi kimia dan medan listrik. Sensor kapasitif juga dapat mengindera

berbagai variabel yang dikonversi terlebih dahulu menjadi konstanta gerak

ataupun dielektrik, seperti: tekanan, percepatan, tinggi dan komposisi fluida.

Sensor kapasitif merupakan perangkat noncontact yang mampu untuk

mengukur posisi dengan resolusi yang tinggi atau perubahan posisi dari setiap

target konduktif. Sensor kapasitif menggunakan kapasitansi listrik dalam

pengukurannya. Kapasitansi merupakan benda yang terdapat diantara dua

permukaan konduktif dengan jarak tertentu. Perubahan jarak kedua permukaan

konduktif dapat mengubah kapasitansi. Perubahan kapasitansi ini digunakan

untuk menunjukan perubahan posisi target.

Sensor kapasitif menjangkau hampir di seluruh kehidupan masyarakat,

diantaranya adalah: detektor gerakan yang dapat mendeteksi perpindahan hingga

10-14 m. Detektor ini stabil, memiliki respon cepat dan tahan terhadap berbagai

kondisi lingkungan ekstrim. Sensor kapasitif dengan elektroda besar dapat

mendeteksi dan mengukur kecepatan sebuah automobile (kendaraan). Teknologi

kapasitif menggantikan peran piezoresistance pada implementasi silikon dari

akselerometer dan sensor tekanan. Aplikasi inovatif seperti detektor sidik jari dan

inframerah muncul pada silikon dengan dimensi sensor ber-orde mikro serta

kapasitansi elektroda 10 fF dengan resolusi hingga 5 aF (10-18 F). Sensor

kapasitif di kilang minyak dapat mengukur persentase air dalam minyak.

Kelembaban gandum di lumbung juga dapat diukur menggunakan sensor

kapasitif. Saklar sentuh untuk meredupkan lampu di rumah menjadi lebih efektif

dan ekonomis jika menggunakan sensor kapasitif. Sensor kapasitif membantu

teknisi rumah dalam menyelesaikan pekerjaannya, seperti: wall stud sensor dan

digital construction level.

BAB II

ISI

2.1 Sensor Kapasitif dan Kapasitansi

Sensor kapasitif merupakan perangkat noncontact yang mampu untuk

mengukur posisi dengan resolusi yang tinggi atau perubahan posisi dari setiap

target konduktif. Sensor kapasitif menggunakan kapasitansi listrik dalam

pengukurannya. Sensor kapasitansi mendeteksi perubahan kapasitansi ketika

sesuatu atau seseorang mendekati atau menyentuh sensor.

Kapasitansi merupakan ruang yang terdapat di antara dua konduktor yang

mempengaruhi medan listrik keduanya. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua

buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan

dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-

lain. Jika dua plat logam yang ditempatkan dengan jarak tertentu dan salah satu

plat diberikan tegangan, maka akan mengakibatkan terdapat medan lisrik di antara

kedua plat. Medan listrik yang dihasilkan merupakan perubahan muatan listrik

yang tersimpan pada permukaan plat. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan

listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki

(elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul

pada ujung metal yang lainnya. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung

kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub

positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik

ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya.

Kapasitansi yang besar memiliki kapasitas untuk muatan listrik yang lebih besar

dibandingkan dengan kapasitansi yang kecil. Banyaknya muatan listrik yang ada

menentukan banyaknya tegangan yang digunakan pada plat. Kapasitansi suatu

kapasitor didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat

menampung muatan elektron.

Kapasitansi antara dua pelat ditentukan oleh tiga hal:

Ukuran pelat: kapasitansi akan meningkat seiring dengan meningkatkan

ukuran plat.

Ukuran Gap: kapasitansi akan mengecil dengan semakin besar gap.

Material antara plat (dielektrik): bahan dielektrik yang digunakan akan

menyebabkan kapasitansi meningkat atau menurun.

2.2 Dielektrikum

Dielektrisitas merupakan karakter tingkatan suatu bahan (dielektrikum)

apabila terpolarisasi oleh medan listrik. Dielektrikum yaitu bahan yang tidak

memiliki elektron bebas. Jika suatu dielektrikum tidak dipengaruhi medan listrik,

muatan positif dan negatif tidak akan terpisah.

Jika suatu dielektrikum dipengaruhi medan listrik, maka muatan negatif

dalam dielektrikum akan ditarik ke arah yang bertentangan dengan arah medan

listrik, sedangkan muatan positif ditarik ke arah searah dengan arah medan listrik,

sehingga muatan positif dan negatif terpisah. Pengaruh muatan positif dan negatif

dalam dielektrikum saling menetralkan, jadi yang berpengaruh hanyalah muatan

di tepi dielektrikum. Muatan induksi di tepi dielektrikum ini terjadi ketika

dipengaruhi medan listrik. Dengan adanya muatan induksi pada tepi-tepi

dielektrik, maka kuat medan listrik menjadi lebih kecil karena muatan-muatan

induksi menyebabkan medan listrik ke arah yang berlawanan dengan medan listik

muatan asli.

2.3 Sistem Pengukuran Sensor Kapasitif

Pengukuran sensor kapasitif memerlukan tiga komponen dasar, yaitu:

Probe yang menggunakan perubahan kapasitansi untuk mendeteksi

perubahan jarak suatu target.

Elektronik driver yang digunakan untuk mengkonversi perubahan

kapasitansi menjadi perubahan tegangan.

Perangkat yang digunakan untuk menunjukan atau merekam perubahan

tegangan yang dihasilkan.

Masing-masing komponen merupakan bagian penting untuk memberikan

pengukuran yang akurat. Geometri probe, penginderaan luas wilayah, dan

konstruksi mekanik mempengaruhi jangkauan, akurasi, dan stabilitas. Probe

memerlukan sebuah driver untuk menunjukan perubahan medan listrik yang

digunakan sebagai perubahan kapasitansi. Kinerja elektronik driver merupakan

faktor utama dalam menentukan resolusi sistem. Alat pengukur tegangan

merupakan alat terakhir yang digunakan dalam sistem. Osiloskop, voltmeter dan

sistem data akuisisi harus dipilih secara untuk digunakan sebagai aplikasi.

Dalam kapasitif penginderaan, ukuran sensor, ukuran target dan bahan

dielektrik (udara) selalu konstan. Sedangkan ukuran gap tidak konstan.

Berdasarkan asumsi ini, elektronik driver berasumsi bahwa semua perubahan

kapasitansi merupakan akibat dari perubahan dalam ukuran gap. Elektronik driver

yang dikalibrasi terhadap perubahan tegangan output yang spesifik digunakan

untuk perubahan kapasitansi yang sesuai. Tegangan ini adalah skala untuk

menunjukan perubahan spesifik dalam ukuran gap. Jumlah perubahan tegangan

untuk suatu perubahan gap disebut sensitifitas atau kepekaan. Sensitivitas yang

umum digunakan adalah 1.0V/100μm. Itu berarti bahwa untuk setiap perubahan

100μm pada celah, Perubahan tegangan outputnya adalah 1.0V. Dengan kalibrasi

ini, perubahan 2 V pada output menunjukan bahwa target telah bergerak 200μm

lebih dekat ke probe.

2.4 Prinsip Kerja Sensor Kapasitif

Sensitivitas sensor kapasitif ditentukan oleh rancangan fisik, metode yang

digunakan untuk mengukur kapasitansi dan kemampuan untuk secara tepat

membandingkan perubahan kapasitansi relatif terhadap tingkat ambang

menghubungi preset. Sensor kapasitif diproduksi melalui proses sederhana pada

papan sirkuit cetak (PCB) yang biasanya berkisar antara 50 femtofarads hingga 20

picofarads, sehingga sulit untuk mendeteksi perubahan kecil secara akurat.

Meskipun ada beberapa metode untuk mengukur nilai-nilai kecil, ada keuntungan

yang signifikan dalam menggunakan teknik pengukuran presisi tinggi yang

menggunakan konverter kapasitif-ke-digital 16-bit.

Sensor kapasitif dirancang pada papan sirkuit cetak (PCB) yang murah.

Sensor kapasitif dapat dikembangkan di papan sirkuit cetak (PCB) standar atau

dicetak pada sirkuit flex menggunakan bahan tembaga yang sama seperti yang

digunakan untuk routing sinyal. Dalam keduanya, sensitivitas sensor maksimum

ditentukan oleh ukuran fisik sensor dan kombinasi dari konstanta dielektrik

lapisan plastik, termasuk faktor disipasi, dan ketebalan bahan yang menutupi.

Sebagai contoh, sebuah sensor dengan diameter 3 mm dengan lapisan plastik yang

menutupi 5 mm akan kurang sensitif dari sensor diameter 6 mm dengan lapisan

plastik 2 mm.

Gambar 1. Desain sensor kapasitif

Gambar 2. Alternatif desain sensor kapasitif

Kedua gambar di atas menunjukan perilaku sensor dengan stimulus

diterapkan selama menghubungi user. Perubahan kapasitansi sensor saat

menghubungi user berbeda setiap metodenya. Tetapi kinerja sensor sama dalam

keduanya.

2.4.1 Merangsang sensor kapasitif

Pada gambar 1 terjadi eksitasi kontinu pada sumber (SRC) disamping

sensor untuk mengatur medan listrik dalam sensor kapasitif. Stimulus

menimbulkan medan listrik pada sensor yang sebagian menjorok melalui plastik

overlay. Capacitance-input side (CIN) dihubungkan ke input konverter kapasitansi

ke digital.

Sensor kapasitif pada gambar 2 menggunakan sumber arus konstan pada

terminal A dari sensor, dengan terminal B sebagai ground. Kapasitansi tambahan

jari ditambahkan saat user membuat kontak terhadap sensor. Hasilnya adalah

peningkatan waktu RC naik selama siklus pengisian.

2.4.2 Mengukur sensor kapasitif dan mendeteksi kontak sensor

Salah satu metode pengukuran tradisional kapasitansi ditunjukkan pada

Gambar 3.

Gambar 3. Metode kapasitor tradisional untuk mengukur kapasitansi

menggunakan komparator dan 555 counter / timer

Sumber arus konstan pada senor kapasitif memiliki muatan yang terus

menerus hingga tingkat ambang batas referensi pada komparator. Komparator

akan menunjukan pulsa tinggi setiap sensor kapasitif mencapai ambang batas.

Pada gambar 4, skalar ditutup dan akan melepaskan kapasitor dan meresetnya.

Gambar 4. Komparator tradisional dan ambang batas tingkat sensitivitas dengan

555 timer/counter

Dengan menentukan saat user berada dalam kontak terhadap sensor, kita

dapat menghitung jumlah siklus clock yang diperlukan untuk sensor kapasitif

untuk mengisi ke tingkat referensi (REF) pada komparator. Nilai ini kemudian

dibandingkan dengan pengaturan preset deteksi ambang. Misalnya, count 50 dapat

menunjukkan menghubungi sensor, sedangkan nilai count kurang dari 50 akan

menunjukkan tidak ada kontak. Dalam contoh ini, akurasi dan presisi

berhubungan dengan frekuensi clock referensi dan pengulangan dari sumber arus

pada sensor kapasitif dianggap sebagai kontak pengguna sensor.

Metode yang lebih baik untuk mengukur kapasitansi, ditunjukkan dalam

Gambar 5, menggunakan resolusi tinggi 16 bit analog-to-digital converter (ADC)

dan sumber eksitasi 250 kHz.

Gambar 5. AD7142 analog

Sumber eksitasi akan membentuk medan listrik dalam sensor kapasitif dan

garis fluks akan menembus materi overlay. Presisi 16 bit ADC mendeteksi setiap

kali user menghubungi sensor, dengan satu femtofarad resolusi pengukuran. Tidak

ada komponen tuning eksternal yang diperlukan, dan kalibrasi otomatis

memastikan bahwa tidak ada sentuhan palsu atau nonregistering yang terjadi

karena perubahan suhu atau kelembaban.

Karena output data dari sensor kapasitif adalah digital, tingkat deteksi

ambang individu dapat dengan mudah diprogram untuk setiap sensor dengan

menetapkan sebuah register 16-bit yang sesuai Tingkat ambang dapat diprogram

antara sekitar 25% dan 95,32% dari skala penuh (FS) pada gambar 6.

Gambar 6. Setting AD7142 tingkat batas ambang sensitifitas

Sebuah sensor kapasitif antarmuka dapat digunakan pada ujung depan

analog, yang dapat mengukur perubahan output kecil disebabkan oleh usr

menghubungi sensor kapasitif. Sekarang konverter kapasitansi ke digital sangat

terintegrasi yang memungkinkan perancang sensor kapasitif mendapatkan

keuntungan dari kemajuan teknologi sinyal baru. Kemajuan teknologi sinyal baru

dapat mengintegrasikan kinerja tinggi analog dengan daya rendah, konverter

sigma delta dengan resolusi tinggi.

2.5 Memaksimalkan Akurasi

Sekarang kita telah membahas dasar-dasar cara kerja sensor kapasitif, kita

juga dapat memaksimalkan efektivitas dan meminimalkan kesalahan. Akurasi

mensyaratkan bahwa pengukuran harus dilakukan di bawah kondisi yang sama

ketika sistem ini dikalibrasi. Jika kita hanya ingin ukuran gap untuk mengubah

pembacaan, maka semua variabel lainnya harus konstan.

Ukuran Target

Kalibrasi yang dilakukan pada pabrik biasanya dilakukan dengan target

konduktif datar yang jauh lebih besar dari area sensor. Sistem yang dikalibrasi

dengan cara ini akan memberikan hasil yang akurat ketika mengukur target plat

lebih dari 30 % lebih besar daripada daerah penginderaan. Jika area target terlalu

kecil, medan listrik akan menyelimuti target. Dalam hal ini, medan listrik melebar

dibandingkan pada kalibrasi dan mengukur target lebih jauh. Ini berarti bahwa

probe harus lebih dekat ke target untuk titik nol yang sama. Karena jarak ini

berbeda dari kalibrasi asli, maka akan terdapat kesalahan. Kesalahan juga terjadi

akibat probe tidak lagi mengukur permukaan yang datar. Target yang terlalu kecil

menunjukan bahwa sistem menjadi sensitive terhadap titik X dan Y yang

probenya relatif terhadap target. Tanpa mengubah gap, output akan berubah

secara signifikan jika probe dipindahkan kiri atau kanan karena kurang dari medan

listrik akan pusat target dan lebih banyak berkeliling ke samping.

Gambar 7. Target yang kecil dapat membuat pengukuran ketelitian yang peka

terhadap kesalahan posisi probe yang kecil

Bentuk target

Bentuk target juga dapat mempengaruhi sensor kapasitif. Jika sensor

kapasitif yang dikalibrasi digunakan untuk target datar, pengukuran target dengan

permukaan melengkung akan menyebabkan kesalahan. Karena sensor akan

mengukur jarak rata-rata target, ukuran gap pada nol volt akan berbeda

dibandingkan ketika sistem dikalibrasi.

Kesalahan juga akan terjadi akibat bentuk medan listrik yang berbeda pada

permukaan lengkung. Jika kalibrasi datar digunakan untuk permukaan lengkung,

maka dapat menggunakan multiplier. Multiplier dapat digunakan untuk

memperbaiki nilai pengukuran.

Gambar 8. Target dengan permukaan lengkung dapat mengubah bentuk medan

listrik yang dapat mempengaruhi akurasi

Permukaan akhir

Ketika permukaan target tidak sempurna, sensor kapasitif akan merata-rata

area yang dicakup oleh ukuran spot dari sensor.

Gambar 9. Permukaan yang tidak teratur dapat menyebabkan pengukuran yang

berbeda terhadap target yang bergerak sejajar dengan probe

Paralelisme

Selama kalibrasi, permukaan sensor sejajar dengan permukaan target. Jika

probe atau target dimiringkan dengan jumlah yang signifikan, bentuk spot pada

daerah target akan memanjang terdapat perubahan interaksi medan antara probe

dan target. Karena bentuk medan listrik yang berbeda, akan terdapat kesalahan

pengukuran. Paralelisme harus dipertimbangkan ketika merancang sebuah fixture

untuk pengukuran.

BAB III

KESIMPULAN

Sensor kapasitif mempunyai banyak aplikasi yang digunakan dalam

masyarakat, yaitu:

Komputer atau laptop menggunakan sensor kapasitif sebagai pengendali

cursor dua dimensi. Selain itu, sensor kapasitif transparan digunakan

sebagai monitor komputer di kios retail (pengecer).

Flow - Berbagai flow meter mengkonversi tekanan atau perpindahan

menggunakan sebuah lubang untuk volume flow atau efek gaya Coriolis

untuk mass flow. Sensor kapasitif kemudian mengukur perpindahannya.

Tekanan - Sebuah diafragma dengan defleksi stabil dapat mengukur

tekanan dengan detektor yang sensitif terhadap jarak.

Tinggi fluida - Sensor kapasitif mengindera tinggi fluida di reservoir

(tandon, kolam air) dengan mengukur perubahan kapasitansi diantara pelat

konduktif yang terbenam dalam air. Detektor tinggi fluida kapasitif juga

dapat dipasang di luar tangki non-konduktif.

Spasi - Jika objek logam dekat dengan elektroda kapasitor, kapasitansi

mutual merupakan pengukur spasi yang sangat sensitif. Sensor pemindai

(scan) multiplat. Pengukuran spasi plat tunggal dapat dikembangkan

menjadi pengukuran kontur menggunakan multiplat. Baik permukaan

konduktif maupun dielektrik dapat diukur menggunakan sensor ini.

Pengukuran ketebalan - Dua pelat yang mengapit sebuah insulator

digunakan untuk mengukur ketebalan insulator jika konstanta

dielektriknya diketahui atau mengukur konstanta dielektrik jika ketebalan

insulator diketahui.

Detektor ice - Pembekuan (icing) sayap pesawat terbang dapat dideteksi

menggunakan potongan (strip) logam terisolasi yang dipasang pada sisi

sayap utama. Posisi linier atau sudut batang (shaft). Sensor kapasitif dapat

mengukur sudut atau posisi dengan skema multi-pelat yang memberikan

akurasi tinggi dengan keluaran digital, atau dengan sebuah keluaran analog

yang menyebabkan akurasi lebih rendah tetapi memiliki respon cepat dan

rangkaian yang lebih sederhana.

Saklar lampu redup (dimmer) - Lampu dim soft-touch pelat logam standar

menggunakan frekuensi 60 Hz dan dapat mengindera kapasitansi tubuh

manusia. Keyswitch – Keyswitch kapasitif menggunakan efek shielding

dari jari terdekat atau menggunakan plunger (pompa) konduktif yang

bergerak untuk menginterupsi coupling diantara dua buah pelat kecil.

Limit switch – Limit switch dapat mendeteksi proksimitas (kedekatan)

komponen (mesin) logam yang sebanding dengan peningkatan kapasitansi.

Limit switch juga dapat medeteksi proksimitas komponen plastik

berdasarkan peningkatan konstanta dielektriknya di udara.

.

MAKALAH

SENSOR KAPASITIF

Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Sensor dan Tranduser

Disusun Oleh :

1. Ariyanti Nur Anisa ( J2D007010 )

2. ( J2D008xxx )

3. ( J2D008xxx)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS DIPONEGORO

2009