Sebagai Bahan Dielektrik Sensor Kelembaban Jenis Kapasitif

JURNAL APLIKASI FISIKA
VOLUME 6 NOMOR 2
AGUSTUS 2010
Karakterisasi Lapisan Titanium Dioksida (TiO2) Sebagai Bahan
Dielektrik Sensor Kelembaban Jenis Kapasitif
Erzam S. Hasan1, M. Jahiding1, Hasrin1, I N Sudiana1, Irman Idris2
1. Jurusan Fisika FMIPA Universitas Haluoleo
2. PPAU Mikroelektronika ITB
Abstrak
Telah dilakukan penelitian tentang karakterisasi Lapisan TiO2 sebagai bahan dielektrik sensor
kelembaban jenis kapasitif. Lapisan TiO2 dibuat dari larutan TiCl3, toluena dan 2-propanol yaitu
0,5 ml TiCl3, 10 ml 2-propanol dan 2,5 ml toluene. Larutan yang terdiri dari TiCl3, toluena dan 2propanol dideposisi di atas substrat Si yang telah dilapisi kontak metal dengan metode spin
coating. Karakterisasi dengan menggunakan FTIR dan SEM-EDX, menunjukkan bahwa
bahan yang dibuat dari larutan TiCl3, 2-propanol, dan toluena berhasil membentuk film
Titanium Dioksida (TiO2). Sensor kelembaban Titanium Dioksida (TiO2) dapat merespon
kelembaban pada rentang kelembaban 10%RH hingga 45%RH dengan respon terbaik
pada rentang kelembaban 25%RH hingga 40%RH.
Kata kunci: Sensor kelembaban, Titanium dioksida, bahan dielektrik, FTIR, SEM-EDX
Abstract
The characterizations of TiO2 layer as dielectric material of humidity sensor of capacitive type
have been investigated. The layer of TiO2 made from solution of TiCl3, toluene and 2-propanol i.e.
0,5 ml TiCl3, 10 ml 2-propanol and 2,5 ml toluene. The solutions deposited on Si substrat who
possessed of metal layer by spin coating method. The characterizations using FTIR and SEM-EDX
method, indicate that material made from TiCl3, 2-propanol, and toluene succeeded shaping
TiO2 thin film. The humidity sensor of titanium dioksida can response to humidity in
humidity interval of 10%RH to 45%RH with the best response in humidity interval of
25%RH to 40%RH.
Keywords: Humidity sensor, Titanium dioksida, dielectric material, FTIR, SEM-EDX
dibutuhkan suatu alat control kelembaban yang
disebut dengan sensor kelembaban.[4]
Sensor kelembaban jenis kapasitif atau
resistif merupakan instrumen analisis yang
sangat penting karena peranannya yang sangat
luas. Dalam bidang kontrol cuaca sensor
kelembaban digunakan sebagai instrumen
dalam radiosonde bersama-sama dengan alat
ukur tekanan, suhu dan arah angin untuk
menentukan perilaku cuaca setiap saat. Badan
Meteorology dan Geofisika memerlukan
puluhan ribu pemancar radiosonde setiap
tahun dalam kegiatan prakiraan cuaca.
Radiosonde yang beredar di Indonesia
sebagian besar merupakan bahan impor yang
harganya cukup mahal sehingga diperlukan
1. Pendahuluan
Kelembaban
merupakan
jumlah
kandungan uap air pada suatu medium.
Kelembaban udara suatu lingkungan sangat
penting untuk diketahui khususnya pada
tempat-tempat penyimpanan bahan makanan,
hasil pertanian, obat-obatan dan lain-lain. Jika
besarnya nilai kelembaban suatu tempat
melebihi atau kurang dari kebutuhan yang
diperlukan maka akan menimbulkan gangguan
atau kerusakan pada makanan dan obat-obatan
tersebut. Selain itu manusia, tumbuhtumbuhan dan hewan juga memerlukan
kondisi
kelembaban
tertentu
untuk
kelangsungan hidupnya. Oleh karena itu
83
84
JAF, Vol. 6 No. 2 (2010), 83-87
penelitian yang intensif untuk mengganti
penggunaan radiosonde impor menjadi
radiosonde buatan Indonesia. Dalam bidang
pertanian, kontrol kelembaban sangat besar
manfaatnya dalam rangka menjaga kualitas
hasil pertanian terutama saat disimpan atau
ditampung.[1]
Berbagai macam bahan telah dipelajari
sebagai elemen pengindera untuk dipakai
sebagai sensor kelembaban antara lain TiO2,
film Polisulfon, LiCl, FO, ZnO, MnWo,
material Nanotube, Li2MoO4CaMoO4, ceramic
porous, woodceramic dan Litium Parclorate[5].
Sensor kelembaban dari bahan keramik telah
menunjukkan beberapa kelebihan dalam
hubungannya dengan kestabilan termal,
kimiawi dan kekuatan mekanik.[5]
Dalam penelitian ini, dikembangkan
keramik TiO2 sebagai bahan dielektrik sensor
untuk mengindera kelembaban. Titanium
Dioksida (TiO2) dibuat dalam bentuk film pada
sebuah substrat dengan metode spin coating.
Oksida keramik TiO2 memberikan reaksi pada
uap air melalui perubahan kapasitansi ataupun
nilai dielektrik akibat teradsorpsinya molekulmolekul air. Keunggulan TiO2 sebagai bahan
sensor kelembaban adalah karena bahan
keramik TiO2 merupakan material murah,
mudah didapat dan tidak beracun. Selain itu,
lapisan tipis TiO2 untuk aplikasi bahan sensor
dapat dibuat dengan cara yang sederhana
karena lapisan tersebut tidak membutuhkan
daya rekat yang kuat seperti pada device
elektronik lainnya. Oleh karena itu dalam
penelitian ini akan dipelajari karakteristik film
Titanium Dioksida (TiO2) sebagai bahan
dielektrik
sensor
kelembaban
jenis
kapasitif.[3]
2.
Metode Penelitian
Sebelum deposisi lapisan TiO2
dilakukan terlebih dahulu dibuat larutan dari
TiCl3, toluena dan 2-propanol yaitu 0,5 ml
TiCl3, 10 ml 2-propanol dan 2,5 ml toluene.
Larutan yang terdiri dari TiCl3, toluena dan 2propanol dideposisi di atas substrat silikon
dengan metode spin coating. Lapisan yang
terdeposisi kemudian diaktivasi
dengan
0
temperatur 800 C. Dalam proses aktivasi
akan terbentuk lapisan TiO2 di atas substrat
silikon.
Selanjutnya
Lapisan
TiO2
dikarakterisasi menggunakan FTIR dan SEMEDX. Kemudian sensor kelembaban jenis
kapasitif yang dibuat di atas substrat Si dengan
bahan dielektrik
TiO2 diuji responnya
terhadap
kelembaban dalam
Chamber
Kelembaban.
3. Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Titanium Dioksida (TiO2)
dengan FTIR
Dalam pengambilan data ini diambil
rentang pengukuran antara 500 – 1500 cm-1,
dan tinanium dioksida terletak pada rentang
bilangan gelombang antara 671 and 680 cm-1.
Gambar 1 menunjukan adanya puncak yang
terletak antara 600 – 700 cm-1. Ini
mengindikasikan bahwa komposisi larutan
yang dibuat dari larutan TiCl3, 2-propanol,
toluena terbentuk Titanium Dioksida (TiO2).
Gambar 1 : Hasil FTIR untuk sampel TiO2 yang
diaktivasi pada temperatur 800oC
Karakterisasi Titanium Dioksida (TiO2)
dengan SEM-EDX
Pada dasarnya SEM/EDX dilakukan
untuk pengukuran ketebalan, morfologi
permukaan maupun komposisi lapisan
terdeposit pada substrat. Gambar 2.a
menunjukkan hasil pengukuran Titanium
Dioksida (TiO2) dengan menggunakan SEMEDX dengan perbesaran 30.000 kali. Dari
pengukuran tersebut, terdapat komposisi TiO2
yang dideposisi di atas substrat Si yang
memiliki ketebalan lapisan 0,25 m dengan
jumlah kandungan 3,78 % (2.b). Hal ini
menunjukkan bahwa komposisi larutan yang
Karakterisasi Lapisan Titanium Dioksida (TiO2) Sebagai Bahan Dielektrik ………..(Erzam dkk)
dibuat dari larutan TiCl3, 2-propanol, dan
toluena terbentuk Titanium Dioksida (TiO2).
Gambar 2.a : Penampang TiO2 yang ditumbuhkan
di atas substrat Si dengan SEM-EDX
85
Tabel 1 : Hasil Pengukuran Sensor Kelembaban
menggunakan Chamber Kelembaban
Kelembaban (%RH)
Kapasitansi (nF)
10
0.106
14.6
0.107
20.9
0.108
25.7
0.116
28.4
0.118
29.9
0.12
33.6
0.127
34.7
0.133
36.9
0.137
40
0.142
43,2
0.143
45
0.144
Hubungan antara kelembaban relatif terhadap
kapasitansi film TiO2 dapat dilihat pada
gambar 3 berikut :
Grafik Hubungan antara Kapasitansi dengan
Kelembaban Relatif Udara
y = 0.0013x + 0.0866
0.16
2
R = 0.9246
Kapasitansi (nF)
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
10
20
30
40
50
Kelembaban (% RH)
Gambar 2.b : Komposisi Titanium Dioksida yang
terbentuk di atas substrat wafer silikon
Pengujian Sensor Kelembaban
Untuk mengetahui baik tidaknya sebuah
sensor kelembaban yang dibuat dapat dilihat
sejauh mana pengaruh kelembaban relatif
udara terhadap konstanta dielektrik film tipis
yang
dipergunakan.
Artinya
semakin
meningkat kelembaban relatif udara maka nilai
kapasitansinya juga akan bertambah secara
konstan.
Hasil pengukuran yang ditunjukan pada
Tabel 1, menunjukan bahwa nilai kapasitansi
film TiO2 yang terukur semakin meningkat
bila kelembaban relatif dalam chamber
dinaikkkan (10 %RH – 45 %RH).
Gambar 3 : Grafik Hubungan antara Kapasitansi
dengan Kelembaban Relatif Udara pada rentang
Kelembaban 10 %RH – 45 %RH
Desain sensor kelembaban jenis
kapasitif pada dasarnya merupakan sistem
kerja dari kapasitor yang memiliki bahan
dielektrik yang diapit oleh dua buah plat
konduktor. Dengan demikian, jika tegangan
listrik diberikan pada kedua ujung plat, maka
muatan positif (+) akan berkumpul pada salah
satu elektrodanya dan muatan negatif (-) akan
terkonsentrasi pada sisi elektroda lainnya.
Keberadaan material dielektrik (TiO2) yang
memisahkan kedua plat tersebut akan
menyebabkan masing-masing muatan tidak
dapat saling bermigrasi. Muatan tersebut akan
tersimpan selama tidak ada konduksi pada
kedua sambungan elektrodanya. Mekanisme
penghantar muatan pada kapasitor berlangsung
melalui proses polarisasi. Air yang memiliki
JAF, Vol. 6 No. 2 (2010), 83-87
konstanta dielektrik ( r) adalah 78 sedangkan
material dielektrik (titanium dioksida) yang
digunakan memiliki konstanta dielektrik 85,
maka dengan adanya uap air yang teradsorpsi
pada material dielektrik menyebabkan
perubahan pada konstanta dielektrik TiO2.
Besarnya perubahan konstanta dielektrik ini
dapat ditentukan dari perubahan nilai
kapasitansinya menggunakan persamaan :
0A
r
C
(1)
d
Grafik Hubungan antara Kapasitansi dengan
Kelembaban Relatif Udara
Kapasitansi (nF)
Grafik Hubungan antara Kapasitansi dengan
Kelembaban Relatif Udara
y = 0.001x + 0.0982
R2 = 0.9114
0.146
0.144
0.142
0.14
0.138
0.136
0.134
0.132
0
10
20
30
40
50
Kelembaban (%RH)
Pada gambar 3, terjadi peningkatan
nilai kapasitansi ketika kelembaban relatif
dinaikkan. Peningkatan kapasitansi ini
disebabkan oleh penambahan molekul air yang
teradsorbsi pada film TiO2. Pembawa muatan
mayoritas dari TiO2 yang merupakan
semikonduktor tipe-p adalah hole. Sehingga
dengan adanya uap air maka TiO2 akan
mendapat sumbangan 2H+ (dua buah hole) dari
uap air yang diserap. Semakin tinggi
kelembaban relatif maka akan semakin banyak
tambahan protonnya, karena kelembaban
menggambarkan kandungan uap air sehingga
akan meningkatkan nilai kapasitansi. Dengan
demikian dapat disimpulkan bahwa lapisan
TiO2 sangat peka terhadap perubahan
kelembaban sehingga baik digunakan sebagai
bahan dasar sensor kelembaban.[2]
Hubungan antara kelembaban relatif
terhadap kapasitansi film TiO2 pada rentang 10
%RH – 26%RH dapat dilihat pada gambar 4
berikut
y = 0.0006x + 0.0991
R2 = 0.7488
0.118
%RH – 45%RH dapat dilihat pada gambar 6
berikut :
Kapasitansi (nF)
86
0.116
0.114
0.112
0.11
Gambar 6 : Grafik Hubungan antara Kapasitansi
dengan Kelembaban Relatif Udara pada rentang
kelembaban 34 %RH – 45 %RH
Kurva yang diperoleh pada gambar 3
cukup linear dengan nilai R sebesar 0,96 untuk
rentang nilai kelembaban yang diujikan, yaitu
dari 10 %RH hingga 45 %RH. Namun
demikian, jika dilakukan pengujian pada
rentang 10 %RH – 25 %RH (gambar 4)
diperoleh kelinearan dengan nilai R sebesar
0,86. Demikian pula pengujian pada rentang
25 %RH – 40 %RH (gambar 5) diperoleh
kelinearan dengan nilai R sebesar 0,98, dan
pengujian pada rentang 34 %RH – 45 %RH
(gambar 6) diperoleh kelinearan dengan R
sebesar 0,95.
Salah satu parameter yang digunakan
untuk menentuikan kelayakan suatu bahan
yang akan digunakan sebagai sensor adalah
kelinierannya. Dengan demikian berdasarkan
sifat kelinieran yang ditunjukkan pada gambar
4, 5 dan 6, dapat disimpulkan bahwa bahan
dielektrik Titanium Dioksida (TiO2) yang
dibuat sebagai bahan sensor kelembaban
memiliki nilai respon terbaik pada rentang 25
% RH – 40 % RH.
0.108
0.106
4. Kesimpulan
0.104
0
5
10
15
20
25
30
Kelembaban (%RH)
Gambar 5 : Grafik Hubungan antara Kapasitansi
dengan Kelembaban Relatif Udara pada rentang
kelembaban 25 %RH – 40 %RH
Hubungan antara kelembaban relatif
terhadap kapasitansi film TiO2 pada rentang 34
Berdasarkan hasil karakterisasi bahan
dielektrik Titanium Dioksida (TiO2) dengan
menggunakan FTIR dan SEM-EDX, maka
dapat disimpulkan bahwa bahan yang dibuat
dari larutan TiCl3, 2-propanol, dan toluena
terbentuk Titanium Dioksida (TiO2). Sensor
kelembaban Titanium Dioksida (TiO2) dapat
merespon
kelembaban
pada
rentang
kelembaban 10%RH hingga 45%RH dengan
Karakterisasi Lapisan Titanium Dioksida (TiO2) Sebagai Bahan Dielektrik ………..(Erzam dkk)
respon terbaik pada rentang kelembaban
25%RH hingga 40%RH.
Ucapan Terima Kasih
Ucapan terima kasih disampaikan kepada
Direktur Penelitian dan Pengabdian pada
Masyarakat (DP2M) Dirjen Dikti Depdiknas
atas penyediaan dana dalam penelitian ini
melalui Program Hibah Bersaing tahun 2008.
Daftar Pustaka
[1]. Asdak,Chay, 1995, Hidrologi dan pengolahan
daerah aliran sungai, Fakultas
Pertanian
PPSDAL, Universitas Padjajaran,
87
[2]. Arshaka, K, K, Twomey,D,Egan, 2002, A
Ceramic Thick Films Humidity Sensor Based on
MnZn Ferrite,Sensors Vol,2, 2002
[3]. Erzam, S.Hasan, dan M. Jahiding, 2005,
“Pembuatan Lapisan Tipis TiO2 Dengan
Metode Tetes Dan Analisis Sensitivitasnya
Terhadap Kelembaban”, Laporan Hasil
Penelitian yang Dibiaya Oleh DP2M Dirjen
Dikti, Lembaga Penelitian Unhalu.
[4]. Handoko, 1993, Klimatologi Dasar Landasan
Pemahaman Fisika Atmosfer dan Unsur – unsur
Iklim, Pustaka Jaya, IPB, Bogor
[5]. Matsuguchi, M., Sadaoka, Y. dan Sakai,Y.
Journal of Material Science Letter 7 (1998)
121. Jakarta.