G12dyo_BAB IV Hasil dan Pembahasan

15
Ambil Data ADC
Kalibrasi
Pembuatan Program
Tidak
Tampilkan
ke LCD
ya
Selesai
Gambar 3.6.11
Diagram alir pembuatan program
3.3.5. Pengujian
Rangkaian
Termometer Digital
Pengujian Film BST dilakukan agar
termometer badan digital tersebut berjalan
sesuai yang diharapkan untuk mengukur
suhu.
Pengujian ini dari data yang telah didapat
berupa tegangan vs suhu dibuat grafik lalu
didapat persamaan garis linearnya, persamaan
garis tersebut dimasukan ke dalam program
lalu diuji langsung pada tubuh manusia dan
dibandingkan dengan termometer summit
SDT8A.
BAB IV.
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Pembuatan Film BST
Film BST yang dibuat dengan
menggunakan metode chemical solution
deposition (CSD) dengan variasi yang
dilakukan pada film BST tersebut dengan
variasi waktu annealing pada suhu 850 oC
selama 8 jam, 15 jam, 22 jam, dan 29 jam
dihasilkan persambungan antara tipe-n pada
4.2.
Hasil Karakterisasi
4.2.1.
Karakteristik I-V
Pada pengujian I-V menggunakan alat I-V
meter dengan 2 perlakuan, yaitu dengan
kondisi terang dan kondisi gelap. Film BST
tersebut disimpan di dalam sebuah kotak agar
cahaya dari luar tidak mengganggu pengujian
I-V tersebut. Hasil dari 2 perlakuan tersebut
terlihat bahwa pada Gambar 4.1, Gambar 4.2,
Gambar 4.3, dan Gambar 4.4 yang dihasilkan
membentuk kurva dioda dan dari kondisi
terang dan gelap dihasilkan adanya perbedaan
jarak antara kurva kondisi terang (biru)
dengan kurva kondisi gelap (merah), hal
dapat diperllihatkan bahwa film BST ini
sensitif terhadap cahaya.
1,00E-03
Arus (I)
Mulai
BST dan tipe-p pada substrat silikon menjadi
persambungan p-n atau yang lebih dikenal
dengan sebutan p-n junction. Film BST ini
memiliki karakteristik yang sama seperti
dioda. Sambungan p-n ini memiliki beberapa
perilaku, ketika tidak ada bias, bias mundur
dan bias maju, jadi arus dapat mudah
mengalir pada suatu arah melalui sambungan
ini dari p ke n ketika bias maju tetapi hampir
tidak bisa mengalir pada arah berlawanan
ketika bias mundur, sehingga sambungan
seperti ini merupakan penyearah yang ideal
dalam rangkaian listrik, hal ini dapat dilihat
pada karateristik I-V yang didapat, grafik I-V
menunjukan bagaimana arus (I) berubah
terhadap tegangan (V) untuk penyearah
sambungan p-n.13
-20
5,00E-04
0,00E+00
-10
0
10
-5,00E-04
Tegangan (volt)
20
Gambar 4.1.12
Karakteristik I-V BST variasi 8 jam
5,00E-04
Arus (I)
Program ini yang nantinya akan
mengolah tegangan analog dari sensor
menjadi sebuah kode-kode digital. Hasil
pengolahan data dari ADC tersebut
ditampilkan pada layar LCD untuk
pengukuran suhu dalam bentuk besaran dan
satuannya. Algoritma dari pembuatan
program ini dapat dilihat pada Gambar 3.6.
-15
0,00E+00
-5
5
15
-5,00E-04
Tegangan (volt)
Gambar 4.2.13
Karakteristik I-V BST variasi 15 jam
16
Arus (I)
1,50E-04
1,00E-04
5,00E-05
0,00E+00
-20 -5,00E-05
-10
0
10
20
-1,00E-04
-1,50E-04
-2,00E-04
Tegangan (volt)
Gambar 4.4.15
Karakteristik I-V BST variasi 29 jam
Gambar 4.5.16
Rangkaian jembatan wheatstone
Dari perubahan tegangan knee ini film
BST memiliki sifat fotodioda. Kondisi terang
dan gelap mempengaruhi tegangan knee dari
masing-masing
sampel.14
Arus
yang
dihasilkan oleh film BST dari grafik terlihat
pada kondisi terang lebih besar dibandingkan
dengan pada kondisi gelap yang dapat dilihat
pada garis kurva berwarna biru untuk
keadaan terang dan warna merah untuk
keadaan gelap. Hal ini memperlihatkan
bahwa film BST ini sangat baik dalam
kepekaan terhadap cahaya. Cahaya yang
datang menghasilkan elektron dan hole.
Maka besar intensitas cahaya yang diberikan
pada film BST mempengaruhi besar arus
yang dihasilkannya.14
4.2.2. Karakteristik Konduktivitas
Listrik
Pengujian ini dilakukan menggunakan
rangkaian jembatan wheatstone yang
dirangkai dengan film BST seperti pada
Gambar 4.5. Rangkaian ini digunakan untuk
mengukur hambatan listrik yang tidak terukur
dengan cara menyeimbangkan hambatan
pada rangkaian, dan salah satu hambatan
tersebut digunakan film BST. Film tersebut
dimasukan ke dalam furnace dan diberikan
suhu dari 30 oC – 100 oC. Data hasil dari
pengujian ini didapat konduktivitas listrik dan
karakteristik piroelektrik dari film BST dan
hasil pengolahan datanya dapat dilihat pada
Gambar 4.6 – 4.13.
Dari hasil tegangan yang didapat dari
kenaikan suhu furnace maka dapat ditentukan
hambatan sensor yang nantinya dapat
menentukan arus pada film BST tersebut
dengan menggunakan hukum ohm. Dari hasil
tersebut diketahui nilai konduktivitas listrik
dari setiap film yang dapat dilihat pada
Gambar 4.6- 4.9. Dari gambar terlihat
peningkatan nilai konduktivitas listriknya, hal
ini dikarenakan terksitasinya elektron pada
pita valensi ke pita konduksi. Elektron pada
pita konduksi dapat bergerak bebas dibawah
pengaruh medan listrik sehingga semakin
banyak elektron terkesitasi ke pita konduksi
ketika diberikan kenaikan suhu, sehingga
arus sensor tersebut akan meningkat dan
hambatan sensor tersebut menurun.14 Nilai
konduktivitas listrik film BST didapat dari
data bahwa film BST ini adalah
semikonduktor karena nilai konduktivitas
listriknya berada pada rentang semikonduktor
yaitu (10-8 - 103) S.cm-1.15
Konduktivitas Listrik (S/m)
Arus (I)
2,50E-04
2,00E-04
1,50E-04
1,00E-04
5,00E-05
0,00E+00
-20 -5,00E-05
-10
0
10
20
-1,00E-04
-1,50E-04
Tegangan (volt)
Gambar 4.3.14
Karakteristik I-V BST variasi 22 jam
8,64E-02
8,62E-02
8,60E-02
8,58E-02
8,56E-02
8,54E-02
8,52E-02
8,50E-02
0
50
Suhu (oC)
100
Gambar 4.6.17
Konduktivitas film BST 8 jam
17
4.2.3.
1,0020E-03
1,0015E-03
dI/A (A/m2)
Konduktivitas Listrik (S/m)
1,0025E-03
1,0010E-03
1,0005E-03
1,0000E-03
0
200
Suhu (oC)
Gambar 4.7.18
Konduktivitas film BST 15 jam
Karakteristik Piroelektrik
0,00018
0,00016
0,00014
0,00012
0,0001
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0
y = 9E-06x
R² = 0.9595
0
10
dT/dt (oC /detik)
20
Gambar 4.10.21
Piroelektrik film BST 8 jam
2,645E-03
2,640E-03
2,635E-03
2,630E-03
2,625E-03
0
50
100
Suhu (oC)
Gambar 4.8.19
Konduktivitas film BST 22 jam
dI/A (A/m2)
Konduktivitas Listrik (S/m)
2,650E-03
0,00001
0,000008
0,000006
0,000004
0,000002
0
0
10
20
dT/dt (oC /detik)
Gambar 4.11.22
Piroelektrik film BST 15 jam
2,50E-03
2,00E-03
1,50E-03
1,00E-03
5,00E-04
0,00E+00
30
40
50
60
Suhu (oC)
Gambar 4.9.20
Konduktivitas film BST 29 jam
Dari data yang diperoleh diketahui
bahwa semakin naik suhu yang diberikan
maka hambatan film BST akan semakin
menurun. Hal ini sama seperti prinsip sensor
suhu termistor tipe NTC. Maka film BST ini
termasuk termistor.
dI/A (A/m2)
Konduktivitas Listrik (S/m)
3,00E-03
0,000016
0,000014
y = 1E-06x
R² = 0.9679
0,000012
0,00014
0,00012 y = 1E-05x
0,0001 R² = 0.9132
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0
0
10
o
dT/dt ( C /detik)
Gambar 4.12.23
Piroelektrik filmBST 22 jam
20
18
0,006
dI/A (A/m2)
0,005
y = 0.0002x
R² = 0.9427
0,004
0,003
Film tipis BFST 15% thin film 17
1,60E-05
Film BST variasi annealing 8 Jam*
9,00E-06
Film BST variasi annealing 15 Jam*
1,00E-06
Film BST variasi annealing 22 Jam*
1,00E-05
2,00E-04
Film BST variasi annealing 29 Jam*
Tanda* menandakan hasil penelitian kami
0,002
0,001
4.3.
Hasil Pengkondisian Sinyal
0
10
20
dT/dt (oC /detik)
30
Gambar 4.13.24
Piroelektrik film BST 29 jam
Pada Gambar 4.10- 4.13 memperlihatkan
sifat piroelektrik seiring kenaikan suhu yang
diberikan pada film BST. Menaiknya suhu
yang diberikan maka menaik pula arus pada
film tersebut karena film BST jika diberikan
suhu diatas suhu kamar hambatan film
tersebut akan berkurang. Arus meningkat
karena banyak elektron naik ke pita konduksi
meninggalkan hole pada pita valensi yang
menjadi carrier pada semikonduktor.16
Berdasarkan data yang diperoleh dari film
BST dengan variasi waktu annealing 29 jam
memiliki koefisien piroelektrik yang terbesar
yaitu 2x10-4 C/m2K dibandingkan dengan
variasi waktu anneling film BST yang lain.
Dibandingkan dengan penelitian sebelumnya
koefisien piroelektrik film BST dengan
variasi annealing 29 jam lebih besar daripada
film tipis LiTaO3, film tipis PVDF, film tipis
BST, film tipis BFST 5 % dan film tipis
BFST 15% yang dapat dilihat pada Tabel 4.1.
Tabel
Penentuan
kalibrasi
sensor
suhu
dilakukan di dalam furnace, film tersebut
diberikan suhu di dalam furnace dirangkai
dengan jembatan wheatstone. Furnace diatur
dengan kenaikan suhu 1 oC / menit dengan
suhu awal 30 oC hingga 50 oC pada film
variasi 8 jam, 29 jam, 15 jam dan 22 jam.
Tegangan yang berasal dari jembatan
wheatstone masuk melalui rangkaian buffer
lalu dikuatkan sebanyak 10 kali dari semula
menggunakan penguat tegangan (op-amp).
Perubahan suhu dapat mempengaruhi
besarnya tegangan yang dihasilkan oleh fim
BST hal ini dapat dilihat pada data grafik
sensitivitas film BST dari Gambar 4.14-4.17 .
0,8
0,78
Tegangan (Volt)
0
0,74
0,72
y = 0,0059x + 0,4909
R² = 0,9589
0,7
0,68
0,66
30
4.1.2Figures of Merit untuk
pengoperasian beberapa sensor
Material
0,76
40
50
Suhu (oC)
Gambar 4.14.25
Sensitivitas film BST 8 jam
P (C/m2K)
3,00E-04
1,20E-01
Film tipis LiTaO3 thin film 18, 25, 26
Film tipis Sr0.5Ba0.5Nb2O6 ceramic 18,
1,90E-04
1,15E-01
Film tipis PLZT (6/80/20) ceramic 18,
6,00E-04
25, 26
7,60E-04
Film tipis PVDF18, 25, 26
3,00E-05
Film tipis PZT18
1,23E-03
Film tipis PTZT (1/52,5/47,5) 18
1,17E-03
Film tipis BST17
3,20E-06
Film tipis BFST 5% 17
5,50E-06
Tegangan (Volt)
Film tipis TGS 18, 25, 26
25, 26
60
1,10E-01
1,05E-01
1,00E-01
9,50E-02
9,00E-02
y = 0,0003x + 0,0871
R² = 0,9677
30 40 50 60 70 80 90100110
Suhu (oC)
Gambar 4.15.26
Sensitivitas film BST 15 jam
19
Teganagn (Volt)
2,95
y= 0,0025x + 2,7069
R² = 0,8267
2,9
2,85
2,8
2,75
2,7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Suhu (oC)
Gambar 4.16.27
Sensitivitas film BST 22 jam
Tegangan (Volt)
6
y = 0,0533x + 1,5289
R² = 0,9716
5
4
3
2
1
0
20
40
Suhu (oC)
60
Gambar 4.17.28
Sensitivitas film BST 29 jam
Dari Gambar 4.14 - 4.17 diketahui
sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi dari
setiap sensor. Sensitivitas didefinisikan
sebagai kemiringan kurva karakteristik
keluaran (∆y/∆x) sedangkan resolusi pada
sensor merupakan perubahan nilai terkecil
sebagai masukan yang dapat dibaca atau
diproses oleh sensor.17 Melalui linearitas
grafik yang dihasilkan dapat ditentukan nilai
sensitivitas masing-masing film BST, pada
film dengan variasi 8 jam memiliki
sensitivitas sebesar ± 5,9 mV/oC yang dilihat
dari gradien pada Gambar 4.14 dengan
resolusi sekitar 5 mV dan tingkat akurasi
sebesar 96 % terlihat pada regresi kuadratnya,
variasi 15 jam memiliki sensitivitas sebesar
0,3 mV/oC yang dilihat dari gradien pada
Gambar 4.15 dengan resolusi 1 mV dan
tingkat akurasi 96,7 %, variasi 22 jam
memiliki sensitivitas sebesar 2,5 mV/oC yang
dilihat dari gradien pada Gambar 4.16 dengan
resolusi sebesar 1 mV dengan tingkat akurasi
82,7 %, dan variasi 29 jam memiliki
sensitivitas sebesar 53,3 mV/oC yang dilihat
dari gradien pada gambar 4.17 dengan
resolusi sebesar 0,06 V/oC dan tingkat akurasi
97,16 %. Hal ini menunjukan bahwa film
BST dengan variasi 29 jam memiliki tingkat
sensitivitas yang baik dengan resolusi yang
besar, rentang histerisis yang kecil, dan
tingkat akurasi yang tinggi maka film ini
lebih baik dibandingkan dengan sensor yang
lainnya.
Dilihat dari seluruh pengujian yang
dilakukan terhadap film BST, dari pengujian
karakteristik I-V, nilai konduktivitas, sifat
piroelektrik, sensitivitas, resolusi dan tingkat
akurasi terlihat bahwa film BST dengan
variasi waktu annealing 29 jam adalah film
BST yang terbaik dibandingkan film yang
lainnya, maka film ini yang akan dijadikan
sebagai sensor suhu badan yang akan
diintegrasikan oleh mikrokontroler dan
hasilnya akan ditampilkan pada LCD
berukuran 16 x 2.
Ketika film BST dengan variasi
annealing 29 jam diberikan suhu dari
furnace, hambatan yang dimiliki film tersebut
33 kΩ hingga 56 kΩ. Dari konduktivitas
yang didapat semakin besar suhu yang
diberikan maka semakin mengecil hambatan
pada film BST maka tegangan yang
dihasilkan akan semakin besar. Tegangan
yang berasal dari buffer lalu dikuatkan
sebesar 10 kali menggunakan rangkaian
diferensial dan non-inverting. Jadi setiap
perubahan suhu merupakan tegangan yang
berasal dari film akan dikurangkan dengan
tegangan yang berasal dari hambatan variabel
lalu dikuatkan sebesar 10 kali. Film BST
dengan variasi 29 jam memiliki resolusi 0,06
V, hal ini dapat dibaca oleh mikrokontroler,
karena resolusi pada mikrokontroler sebesar
48,82 mV dengan fidelitas 10 bit. Berarti
setiap kenaikan 48,82 mV sinyal digital yang
dihasilkan sebesar 1 bilangan desimal. Hal ini
tegangan masukan ke mikrokontroler harus
berupa sinyal digital, maka perlu dikonversi
terlebih dahulu menggunakan analog to
digital converter (ADC).
4.4.
Hasil Pembuatan Program
Dari hasil ADC berupa kode binner
seperti akan diolah dengan pemrograman.
Bahasa
pemrograman
yang
dipakai
menggunakan basic compiler (BASCOM).
BASCOM merupakan bahasa tingkat tinggi
yang dikembangkan setelah bahasa C. Bahasa
ini lebih mudah dimengerti oleh manusia.
Banyak fasilitas yang telah ada dengan
library atau index yang memudahkan
programmer dalam mendalami bahasa ini.
Kelebihan dari bahasa pemrograman ini telah