sistem pengukur resistansi lapisan tipis ter - ANSN

ISSN 0216 - 3128
226
Moh. Toifur, dkk.
SISTEM PENGUKUR RESISTANSI LAPISAN TIPIS TERKOMPUTERISASI DENGAN MENGGUNAKAN PROSESOR
KONVERSI DAC 0808 DAN ADC 0809
Moh. Toifur, Nanang Suwondo
Pusat Studi Fisika Terapan Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta
Sudjatmoko
P3TM BATAN Yogyakarta
Ridwan
P3IB BATAN PUSPIPTEK Serpong Tangerang
Kamsul Abraha
Universitas Gadjah Mada Yogyakarta
ABSTRAK
SISTEM PENGUKUR RESISTANSI LAPISAN TIPIS TERKOMPUTERISASI MENGGUNAKAN PROSESOR
KONVERSI DAC 0808 DAN ADC 0809. Telah berhasil dibuat sistem pengukur resistansi lapisan tipis
terkomputerisasi model four point probe dengan memanfaatkan DAC 0808 dan ADC 0809. Catu tegangan
berjangkau 0-5 volt dan panjang interval 19,6 mV dipasok dari DAC 0808 pada salah satu ujung probe
terluar melalui pengendalian komputer. Pembacaan arus diambil dari tahanan R yang dipasang seri dengan
lapisan tipis sedangkan beda tegangan (V) pada lapisan tipis diambil dari 2 probe bagian dalam lapisan.
Hasil pembacaan ditampilkan dalam bentuk data tegangan pada setiap probe dan grafik V vs t, I vs t dan R
vs t dengan t lama pembacaan untuk seluruh jangkau tegangan yang input. Untuk menguji unjuk kerja
sistem digunakan lapisan Ni80Fe20 hasil deposisi sputtering dc pada substrat gelas selama 10 menit, jarak
elektroda 3 cm, tekanan vakum 1,6 × 10 -1 torr, suhu substrat 300°, daya 60 watt. Selanjutnya hasil
pengukuran dibandingkan dengan hasil yang diperoleh secara manual. Dari eksperimen menunjukkan
bahwa resistansi yang diperoleh komputer 1,91 ± 0,04 Ω sedangkan secara manual 2,00 ± 0,07 Ω.
Kesala han relatif pengukuran komputer terhadap manual adalah 4,7%. Keunggulan dari sistem ini adalah
kemampuan perangkat lunak (Delphi 5.0) untuk mengumpulkan, mengolah dan menampilkan data hingga
1/1000 detik. Dengan sistem ini maka sifat-sifat permukaan lapisan tipis dapat dihindarkan dari pengaruh
oksidasi.
ABSTRACT
A COMPUTERIZED SYSTEM FOR MEASURING THIN FILM RESISTANCE USING DAC 0808 AND ADC
0809 CONVERSION PROCESSORS. A computerized measurement system for thin film resistance has been
prepared based on four point probe technique using DAC 0808 and ADC 0809. Various voltages (from 0 to 5
V with increasing voltage of 19,6 mV) from DAC 0808 was supplied to the one of outer ends point controlled
by computer. Electrical current reading was carried out through the resistor (R) serially installed to the thin
film, meanwhile for the voltage different reading was done from the two inner probes. The output readings
were displayed on the computer for the relationship between R vs t, V vs t, I vs t and V vs I (t is duration time
for the whole range of the voltage supplied). For testing performance of system it was used thin film deposited
on the glass substrate. Thin film was prepared using dc sputtering technique, for 10 minutes, the electrodes
distance was adjusted for 3 cm, vacuum operation of 1,6 × 10 -1 torr, substrate temperature of 300° and
power of 60 watt. The results obtained from the measurement was compared with the results done manually.
The results show that the resistance of the thin film obtained from the computer was of 1.91 ± 0,04 Ω
meanwhile from the manual was found to be 2,00 ± 0,07 Ω. The relative error of the computer measurement
to the manual is 4,7%. The advantageous of this system is capability of the software (Delphi 5.0) that able to
collect, process, and display data up to 1/1000 sec. With this system the properties of thin film surface can be
avoided from the oxidation effect.
PENDAHULUAN
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
P
engukuran resistansi lapisan tipis yang biasa
dilakukan adalah dengan metode probe empat
titik (four point probe) dengan dua probe terluar
merupakan probe-probe untuk memasok arus
sedangkan dua probe terdalam untuk mengetahui
beda potensial antara keduanya. Pengamatan arus
serta tegangan secara manual digunakan dua buah
multimeter (ampere meter dan volt meter). Untuk
harga-harga V dan I yang kecil (orde milivolt) maka
ketelitian pembacaan serta jaminan bahwa sistem
tidak terganggu dari luar sangat diperlukan karena
gangguan sedikit saja akan mengubah nilai resistansi
lapisan. Pada pengukuran resistansi secara manual
memungkinkan terjadinya beberapa ke-salahan,
misalnya kontak antara kabel yang satu dengan yang
lain kurang mantap karena seringnya sistem
terganggu pada saat penggantian sample pada
fasilitas probe 4 titik. Demikian pula akibat dari
kecilnya nilai arus maupun tegangan maka ke kurangcermatan pembacaan nilai V dan I juga
berpengaruh terhadap nilai resistansi. Hal lain yang
perlu diperhatikan adalah pada saat karakterisasi
resistansi lapisan pada jangkau V penuh jika
dikehendaki pengaturan ∆V kecil maka diperlukan
waktu yang cukup lama. Tampilan grafik dari set data
(V, I) berupa titik atau kurva yang menghubungkan
titik-ke titik dan bukan berupa kurva yang kontinyu.
Demikian pula kegiatan pemrosesan data mulai dari
pencatatan, pengolahan dan penampilan data adalah
merupakan pekerjaan yang tidak ringan.
DAC 0808-8 bit menyediakan tegangan presisi
terprogram dengan jangkau 0 – 5 volt dan panjang
interval 19,6 mV. Dengan kondisi ini maka menjadi
memungkinkan untuk memasok tegangan yang
sangat kecil mulai dari 19,6 mV dan kelipatannya
sampai 255 titik langkah. Jika tegangan ini dipasok
pada probe terluar lapisan tipis maka arus listrik akan
mengalir pada lapisan tipis tersebut sehingga akan
dapat diketahui besar arus serta beda potensial antar
probe yang terhubung dengan lapisan.
Sementara itu untuk keperluan pembacaan
tegangan sistem, digunakan ADC 0809 yang telah
disetel untuk dapat membaca tegangan 0 – 5 volt
yang setara dengan 0 - 255 bilangan konversi.
Masalah penampilan dapat dilakukan dengan
menggunakan layar komputer melalui bahasa
pemrograman Delphi 5.0.
227
Sistem pengukur resistansi tekomputerkan
terdiri dari komputer yang di dalamnya mengan-dung
mikroprosessor, antar muka (interface) dan lapisan
tipis yang akan diukur resistansinya, sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 1.
1. Mikroprosessor
Fungsi mikroprosesor adalah untuk membe rikan perintah-perintah pada ADC dan DAC, mengolah dan menampilkan hasil pengukuran ataupun
perhit ungan dalam bentuk angka maupun grafik.
2. Interface ADC 0809 dan DAC 0808
Rangkaian ini terdiri dari 2 bagian pokok yaitu
PPI 8255 beserta DAC0808 dan ADC 0809 yang
bekerja sesuai dengan urutan langkah pemrograman
yang dikehendaki. Untuk memilih salah satu diantara
keduanya digunakan address decoder yang akan
menterjemahkan kombinasi 10 bit bus address yang
terletak pada slot ISA.
a. DAC 0808
Untuk menangani dan memberi masukan DAC
0808 digunakan PPI 8255 memakai salah satu port 8
bit (port B) PPI 8255. Keluaran DAC berupa arus
yang harus diubah menjadi tegangan meng-gunakan
op-amp. Pada bagian op-amp diberikan fasilitas
pengatur offset dan penguatan tegangan (Gambar 2).
Offset berfungsi untuk mengatur batas minimal
tegangan keluaran DAC sedangkan fasilit as
penguatan berfungsi untuk memberikan batas maksimalnya (Anonim, 1999). Keluaran DAC tersebut
digunakan untuk memberi catu pada tahanan R yang
tersusun seri dengan tahanan lapisan tipis.
PB0
5 Volt
DAC
0808
PB7
LF 351
+
Offset
BAGIAN-BAGIAN POKOK SISTEM
PENGUKUR RESISTANSI TERKOMPUTERKAN
Gambar 2. Op-amp untuk DAC 0808.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
228
Komputer
Mikroprosessor
Interfacing
Moh. Toifur, dkk.
Lapisan Tipis
Gambar 1. Keterkaitan antara komputer, antar muka dan lapisan tipis.
Sebagai catatan, sebelum DAC dioperasikan
probe 4 titik (titik 2, 3, 4 dan 5) dengan jarak antara
harus dilakukan kalibrasi terlebih dahulu untuk
titik sama, nilai resistansi pada lapisan tipis dapat
mendapatkan persamaan konversi digital ke analog
diperoleh dengan cara membagi beda potensial
serta melihat watak linieritasnya.
antara 2 probe bagian dalam (dalam hal ini titik 3 dan
4) dengan arus yang melalui lapisan tipis yang
b. ADC 0809
diperoleh dari dua probe terluar (dalam hal ini titik 2
dan 5). Karena sifat ADC hanya dapat mengukur
Pengukuran tegangan pada lima titik (titik 1, 2,
besaran tegangan saja, maka pengukuran arus pada
3, 4 dan 5), seperti tampak pada Gambar 3, dilakukan
lapisan tipis dilakukan dengan memasang resistor ( R)
oleh komputer dengan menggunakan ADC 0809
seri terhadap tahanan lapisan tipis (Rl). Selanjutnya
National Semiconductor 8 bit, dengan ketelitian 19,6
den gan mengetahui beda potensial ujung -ujung
mV.
Kelima
titik
tersebut
masing -masing
resistor (titik 1 dan 2) serta nilai resistor R, maka arus
dihubungkan dengan input 0, 1, 2, 3 dan 4 ADC
yang mengalir dapat dihitung yaitu:
(Gambar 3). Karena proses akuisisi hanya dapat
dilakukan terhadap satu kanal input tiap kali-nya,
V
maka diperlukan 3 bit pemilih kanal. Dengan
I = 12
R
konstruksi yang dibangun seperti pada Gambar 3,
komputer dapat melakukan pengalamatan (address(1)
ing) ADC sekaligus memilih kanal mana yang akan
dikonversi. Data hasil konversi ditampung dalam lima
dengan I arus yang mengalir pada resistor, V12
variabel (pada program komputer) yang mewakili
besar tegangan anta ra titik 1 dan 2 dan R resistor.
nilai tegangan pada titik 1, 2, 3, 4 dan 5 untuk
Karena R tersusun seri dengan tahanan lapisan tipis
kemudian diproses lebih lanjut.
maka arus yang mengalir pada kedua tahanan sama
besar. Dengan demikian nilai resistansi lapisan tipis
Sebagaimana DAC, ADC yang digunakan
dapat ditentukan sebagai:
harus dikalibrasi terlebih dahulu agar diperoleh
persamaan konversi analog ke digital serta watak
V
linearitasnya.
Rl = 34
I
(2)
3. Resistansi Lapisan Tipis
Menurut Ohring (1991) pada konstruksi
dengan R l resistansi lapisan dan V34 beda potensial
antara titik 3 dan 4.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
229
8 bit
PPI
8255
op-amp
8 bit
1
DAC
R
Lapisan Tipis
2
5
34
10 bit Addres
Decoder
3 bit
Pemilih
kanal
ADC
0808
3 bit
Slot ISA
Gambar 3. Skema lengkap rangkaian pengukur resistansi lapisan tipis.
KEUNGGULAN SISTEM PENGUKUR AN RESISTANSI TERKOMPUTER KAN
Pada bahasa pemrogram Delphi 5.0 yang
digunakan, terdapat fasilitas pengaturan waktu
eksekusi (timer). Fasilitas ini dapat dimanfaatkan
untuk menentukan waktu eksekusi sampai 1/1000
detik (Antony Pranata, 1986). Pada penelitian ini lama
eksekusi dipilih 1/100 detik yang digunakan untuk
proses pembacaan meliputi pencatuan tegangan
pada lapisan tipis, pembacaan tegangan pada titik
1,2,3,4 dan 5, proses perhitungan nilai resistansi
sesuai dengan rumus (2) dan penampilan hasilnya
dalam bentuk angka dan grafik. Selain itu dengan
mengatur waktu eksekusi yang kecil maka
kemungkinan terjadinya ketidakstabilan arus dapat
dihindari. Sebagai catatan, untuk bahan magnetik
seperti Ni80Fe20, lama waktu karakterisasi merupa-kan
hal yang sangat penting untuk dipertimbangkan
karena lapisan ini sangat mudah teroksidasi oleh
oksigen yang berasal dari lingkungan. Karakterisasi
lapisan dalam tempo yang cukup lama dapat
menjadikan sifat lapisan telah berubah.
HASIL DAN PEMBAHASAN
diinputkan angka 0,1,2,3,…255 (representasi dari
kombinasi 8 bit pada port B PPI 8255) dan tegangan
keluarannya diamati secara manual dengan
multimeter. Dengan mencocokkan (fitting) data D
terhadap A mengikuti regresi linier diperoleh
persamaan:
A = 19,7 D – 0,4 (mV)
(3)
dengan D adalah masukan angka desimal sebagai
representasi kombinasi data digital yang mungkin
dan A data hasil konversi dalam bentuk analog.
Demikian pula untuk mengetahui unjuk kerja
ADC 0809 dalam melakukan konversi dari data
analog ke digital maka dipasoklah tegangan dari 0
s.d. 4830 mV (maksimal 5000 mV) secara manual dan
hasil konversinya diamati pada komputer. Dengan
mencocokkan (fitting) data A terhadap D maka
diperoleh persamaan:
D = 0,05 A – 0,8 (tanpa satuan)
(4)
dengan A adalah data masukan berbentuk analog
dan D data keluaran berbentuk digital.
Dari persamaan (3) dan (4) tampak bahwa
kedua prosesor konversi telah menunjukkan watak
linearitas yang baik sehingga telah siap untuk
dioperasikan dalam mendukung sistem rangkaian ini.
1. Uji linearitas DAC 0808 dan ADC 0809
Untuk mengetahui unjuk kerja DAC dalam
melakukan konversi dari digital ke analog maka
2. Tampilan layar komputer untuk karakterisasi V-I lapisan tipis Ni80Fe20
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
230
ISSN 0216 - 3128
Pada penelitian ini beberapa variabel masukan
yang diperlukan sistem dan perolehan data hasil
pengukuran ataupun perhitungan ditampilkan dalam
bentuk angka dan grafik. Catu tegangan dari DAC
dapat dipilih secara manual atau otomatis, seperti
terlihat pada panel “Pengatur Tegangan Probe”. Bila
dipilih yang “manual”, nilai tegangan yang
dikehendaki diketikkan pada tempat yang disediakan
dalam satuan volt. Namun bila dipilih “otomatis”
maka batas-batas tegangan yang dikehendaki harus
dimasukkan pada kotak-kotak “edit” yang telah
disediakan, dalam satuan volt, mulai minimal 0 volt
sampai dengan maksimal 5 volt dengan panjang
langkah 19,6 mV. Running dilakukan dengan mengklik
tombol “mulai”, sedangkan tombol exit digunakan
bila akan keluar dari program. Nilai tegangan pada
titik 1 sampai dengan titik 5 dari saat ke saat dapat
dipantau pada kotak-kotak “edit” dengan label Pr. 1
sampai dengan Pr. 5.
Hasil perhitungan resistansi lapisan tipis,
perhitungan tegangan serta perhitungan arus
ditampilkan pada tiga grafik pertama masing-masing
R vs t, V vs t dan V vs I dengan t waktu eksekusi.
Moh. Toifur, dkk.
Pengeplotan data pada semua grafik dilakukan
dengan real time dengan selang waktu 10 ms.
Hasilnya ditampilkan pada Gambar 4.
3. Uji hasil yang diperoleh secara manual dan
terkomputerisasi
Pada Gambar 4 ditampilkan hasil karakteri-sasi
lapisan Ni80Fe20 yang dihasilkan dari dideposisi
sputtering DC pada kondisi: lama deposisi 10 menit,
jarak elektroda 3 cm, tegangan operasi torr, suhu
o
substrat 300 , daya 60 watt tanpa medan deposisi.
Pada grafik kedua yaitu V vs t jelas sekali perilaku
ADC 0809 dalam menangkap tegangan dari titik 3
dan 4 yaitu tidak dapat halus namun bertangga. Hal
ini disebabkan karena kemampuan ADC yang hanya
dapat merespon tegangan kelipatan 19,6 mV
sehingga untuk tegangan-tegangan yang tidak tepat
dengan nilai tersebut akan dibulatkan ke kelipatan
19,6 mV. Akibatnya semua perhitungan yang
melibatkan nilai V ini akan tepengaruh keadaan V
tersebut, seperti grafik R vs t (dengan R = V/I) dan V
vs I.
Gambar 4. Tampilan layar komputer dari R vs t, V vs t dan V vs I.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
Untuk menentukan resistansi lapisan dimisalkan nilai resistansi konstan (V sebanding
dengan I) sampai pada batas 5 volt. Karena sifat
ADC seperti di atas maka perlu melakukan fitting
data V terhadap I menurut regresi linier sehingga
diperoleh persama an regresi serta nilai resistaninya
yang merupakan slope grafik. Hasil fitting V terhadap
I ditampilkan pada Tabel 1 kolom 2 dan plot grafik
dari V dan I ditampilkan pada Gambar 5. Untuk
mengecek validitas nilai resistansi yang diperoleh
tersebut maka ditentukan pula resistansi yang dicari
secara manual dengan variasi tegangan mulai dari 0 –
140 mV. Dari data V dan I juga di-fitting menurut
regresi linier dan hasilnya di-tampilkan pada Tabel 1
kolom 3 dan plot grafik dari
231
V dan I ditampilkan pada Gambar 6.
Dari nilai resistansi yang ditampilkan kedua
cara tersebut terdapat selisih sebesar 0,09 ohm atau
ralat resistansi yang ditentukan dengan komputer
relatif terhadap resistansi manualnya ER = 4,71 %.
Harga tersebut merupakan nilai yang cukup kecil
sehingga secara umum resistansi yang dihitung
melalui komputer dengan manual dapat dianggap
sama.
Selanjutnya untuk mempermudah menganalisis hasil yang diperoleh dari kedua metode maka
pada Gambar 7 ditampilkan kedua grafik dari
persamaan V sebagai fungsi dari I seperti yang
dinyatakan pada Tabel 1.
Tabel 1. Beberapa hasil karakterisasi secara komputer dan manual.
Secara Komputer
Manual
Persamaan regresi
V = 2,00 I –1,31
V = 1,91 I – 0,01
Resistansi (R)
R = (2,00 ( 0,07) ohm
R = (1,91 ± 0,04) ohm
80
70
Tegangan (mV)
60
50
40
30
20
10
0
-10
0
5
10
15
Arus (mA)
20
25
30
Gambar 5. Plot data V vs I beserta fitting dari data yang diakuisisi
oleh komputer.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
ISSN 0216 - 3128
232
Moh. Toifur, dkk.
140
120
Tegangan (mV)
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
Arus (mA)
60
70
80
Gambar 6. Plot data V vs I beserta fittingnya dari data yang
diperoleh secara manual.
40
35
Tegangan (mV)
30
25
20
15
10
5
0
-5
0
5
10
Arus(mA)
15
20
Gambar 7. Grafik V vs I pada pengukuran resistansi dengan meto-de
komputer dan manual. (*): manual, (o): komputer .
2. ANTONY PRANATA, Pemrograman Borland
KESIMPULAN
Delphi 4.x, Andi Offset, Yogyakarta (1986).
1. DAC 0808 dan ADC 0809 sangat tepat diguna3. OHRING, M., The Materials Science of Thin Films,
kan sebagai prosessor konversi untuk mena Academic Press, Inc., New York (1992).
ngani permasalahan penentuan nilai resitansi
lapisan tipis.
2. Resistansi lapisan Ni80Fe 20 yang ditentukan
dengan cara komputer dan manual sama besar
sehingga sistem ini dapat digunakan untuk
mengkarakterisasi resistansi lapisan tipis.
DAFTAR PUSTAKA
1.
ANONIM, ADC 0808/ADC0809 8-bit µp
Compatible A/D Converters with 8-Channel
Multiplexer, DAC 0808 8-bit µp Compatible D/A
Converters,
National
Semiconductor
Corporation Datasheet (1999).
TANYA JAWAB
Budi sulistyo
− Apa yang diharapkan membandingkan pengukuran komputer dengan manual?
− Usaha apa yang akan dilakukan setelah memperoleh grafik yang masih jauh dari harapan?
M. Thoifur
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001
Moh. Toifur, dkk.
ISSN 0216 - 3128
− Kemudahan yang diperoleh dengan pengukuran
komputer karena cara kerjanya yang serba otomatis.
Terhindar dari kesalahan manusia selama
karakterisasi.
− Mengganti DAC 0808 dan ADC 0809 dengan prosesor
yang mempunyai resolusi bit yang lebih tinggi misal 12
bit atau 16 bit.
233
− Apa saja yang akan diukur?
M. Thoifur
− Untuk karakterisasi resistansi dan efek GMR pada
lapisan tipis ferromagnet utamanya permalloy yang
bebas dari pengaruh kesalahan manusia selama
pengukuran.
− Yang akan diukur R V vs t (waktu), I vs t, R vs t pada
suhu tertentu.
Saminto
− Penggunaan jangka panjang dari alat
(pengembangannya) bisa untuk apa saja?
ini
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir
P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 - 8 Agustus 2001