## Pengembangan sensor seismik berbasis MEMS accelerometer
Amalia C. Nur’aidha *1 , Didik R. Santoso 2 , Sukir Maryanto 2
1 Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas PGRI Yogyakarta
2 FMIPA,Universitas Brawijaya Jl. IKIP PGRI I No.117, Kab. Bantul – D.I Yogyakarta Jl. Veteran, Malang – Jawa Timur
* email: amalia@upy.ac.id
Abstrak  - Sensor  seismik  merupakan  komponen  utama  dalam  bidang  seismologi.  Salah  satu  sensor  seismik yang sering digunakan geofon, namun geofon memiliki kekurangan dalam mendeteksi getaran frekuensi rendah di  bawah  10Hz.  Dengan  adanya  kekurangan  tersebut  menjadi  salah  satu  peluang  bagi  sensor  MEMS  yang memiliki  rentang  frekuensi  lebih  lebar  dibandingkan  dengan  geofon.Pada  penelitian  ini  sensor  MEMS terkonfigurasi  dengan  pengkondisi  sinyal  yang  telah  dilengkapi  dengan  rangkaian  integrator.  Fungsi  dari rangkaian  integrator  ini  untuk  mengubah  MEMS  Percepatan  menjadi  MEMS  Kecepatan.  Sehingga  MEMS mampu  mendeteksi  kecepatan  gerakan  tanah  menyerupai  geofon.  Hasil  respon  sinyal  MEMS  menunjukkan bahwa MEMS Kecepatan mampu mendeteksi getaran frekuensi 0.01Hz hingga 100Hz. Berdasarkan hasil respon frekuensi menunjukkan bahwa MEMS mampu digunakan sebagai sensor seismik.
Kata kunci: Sensor Seismik, MEMS, Accelerometer
Abstract  – All  Seismic  sensors  are  the  main  component  in  seismology.  One  of  the  seismic  sensors  that  are geophones, but geophones have a weakness below 10Hz. That is a MEMS  sensor opportunity because MEMS has  a  wide  frequency  range  than  geophones.  In  this  study,  the  MEMS  sensor  configured  with  a  signal conditioning  system  that  has equipped  with  an  integrator. The  function  of  this  integrator  is  to  convert  MEMS Acceleration  to  MEMS  Velocity.  So  MEMS  can  detect  the velocity  ground  motion  like  a  geophone.  The  result MEMS frequency signal response shows MEMS that supported with a frequency of 0.01 Hz to 100 Hz. Based on the results of the frequency response shows that MEMS has the capability as a seismic sensor.
Key words: Seismic Sensor, MEMS, Accelerometer

## PENDAHULUAN
Sensor  getaran  untuk  deteksi  seismik (sensor  seismik)  merupakan  komponen  utama dalam  bidang  seismologi,  seperti  pemantauan bencana  alam  dan  inspeksi  geofisika  untuk sumber  daya  mineral  [1][2][3].  Sensor  tersebut mampu  mengirimkan  getaran  tanah  yang muncul ke dalam sinyal listrik [4][5]. Beberapa sensor  seismik  telah  dikembangkan  dalam berbagai  prinsip  yang  dapat  diklasifikasikan menjadi  accelerometer  piezoelektrik,  mikro piezoresistive, elektromagnetik, mikro kapasitansi,  sensor  arus  eddy,  serat  optik,  dan pendulum [6][7][5].
Salah  satu  sensor  seismik  yang  sering digunakan  saat  ini  adalah  geofon  dengan mengaplikasikan prinsip elektromagnetik. Sensor  ini  telah  menjadi  sensor  standar  yang digunakan  dalam  pencitraan  seismik.  Sensor tersebut  merupakan  sensor  pasif  yang  terdiri dari  kumparan  yang  dipasangkan  dengan  pegas lunak  yang  bergerak  relatif  terhadap  magnet
tetap  [8].  Geofon  bekerja  mengukur  kecepatan dengan  menghasilkan  tegangan  pada  kumparan yang bergerak bebas dalam medan magnet [9].
Geofon  memiliki  respon  sekitar  10Hz, apabila terdapat frekuensi di bawah 10Hz maka respon  dari  geofon  akan  berkurang  12dB  per decade  [9][10].  Geofon  tipe  SM-24  memiliki bentuk  yang  sangat  sederhana  dengan  ukuran sensor  ~3cm  dan  berat  ±75g  [11].  Tipe  sensor tersebut  memiliki  ground  noise  yang  relatif rendah namun sensor tersebut memiliki kekurangan  yaitu,  rentang  frekuensi  linearnya terbatas  di atas frekuensi alaminya,  biasanya  4- 12Hz [12].
Saat  ini  pada  bidang  seismologi  sangat dibutuhkan  sensor  yang  memiliki  biaya  yang rendah  serta  dilengkapi  kemampuan  frekuensi yang  lebar  [1].  Dari  berbagai  sensor  seismik yang telah dikembangkan, pendekatan accelerometer  menghasilkan  hasil  yang  cukup baik  ketika  dilakukan  pengukuran  getaran  pada frekuensi  yang  rendah  pada  bidang  seismologi [6]. Salah satu sensor yang dapat dikembangkan

## dengan pendekatan accelerometer adalah sensor
MEMS.
Saat  ini  telah  terdapat  trend  baru  dalam bidang  industri  untuk  menggantikan  geofon dengan  MEMS  [8].  MEMS  tersebut  memiliki kelebihan  yang  dapat  menghasilkan  broadband (0 hingga 800Hz), nilai noise yang lebih rendah (kurang  lebih  -10dB)  [13]  serta  konsumsi  daya yang rendah [14][15]. Jika dibandingkan dengan geofon  sensor  MEMS  memiliki  sensitivitas lebih  tinggi,  baik  untuk  frekuensi  rendah maupun  frekuensi  tinggi  [13].  Bandwidth MEMS ini lebih lebar jika dibandingkan dengan geofon  yaitu,  10-100Hz.  MEMS  bekerja  di bawah frekuensi resonansi percepatan, sedangkan  geofon  bekerja  di  atas  frekuensi resonansi kecepatan. Cakupan frekuensi MEMS tersebut mampu merekam getaran pada frekuensi  rendah  menjadi  sangat  penting, khususnya  untuk  pemantauan  seismik  [16]. Berdasarkan  hal  tersebut  maka  pada  penelitian ini  akan  dilakukan  pengembangan  sensor seismik menggunakan MEMS percepatan.

## METODE PENELITIAN
MEMS  percepatan  termasuk  dalam  klasifikasi sensor kapasitif, salah satu tipe sensor ini adalah MMA7361L.  MMA7361L  berbentuk  chip  IC yang  dibuat  oleh  Freescale  Semikoduktor (Gambar 1). Sensor tersebut dilengkapi beberapa kelebihan yaitu, energi yang digunakan sangat rendah, memiliki 2 sensitivitas  (1.5g  dan  6g)  yang  dapat  di  atur sesuai  dengan  kebutuhan  dengan  kamampuan maksimal  sensitivitas  800mV/g  @1.5g  serta memiliki 3 komponen penginderaan (x,y, dan z) [13].
Gambar 1. Sensor MEMS Percepatan MMA7361L
Sensor  MEMS  tidak  dapat  digunakan  secara langsung  sebagai  sensor  seismik.  Sensor tersebut memerlukan rangkaian tambahan (Sistem  Akusisi  Data).  Blok  diagram  (Gambar 2)  merupakan  desain  sistem  akuisisi  data  untuk melengkapi  sensor  MEMS  supaya  dapat digunakan  sebagai    sensor  seismik.  Sensor MEMS  akan  menangkap  sinyal  yang  berasal dari  sumber  getar  (Gerakan  tanah).  Keluaran dari sensor MEMS (pada pin output )akan diolah di  dalam  pengkondisi  sinyal  dan  pemroses sinyal, sehingga dapat di tampilkan pada media penampil.
Tahap awal yang dilakukan yaitu melakukan simulasi terlebih dahulu menggunakan software circuit maker untuk mengetahui respon frekuensi  dari  sensor  geofon  sebagai  sensor yang  telah  sering  digunakan  dalam  bidang seismologi  (Gambar  3).  Berdasarkan  gambar tersebut  dapat  dilihat  bahwa  geofon  memiliki respon frekuensi di atas 10Hz dan tidak mampu merespon frekuensi di bawah 10Hz. Ketidakmampuan geofon ini dikarenakan sistem kerja geofon adalah meloloskan frekuensi tinggi dengan menerapkan High Pass untuk mengurangi noise yang  ada  disekitar  sensor. Sehingga  apabila  akan  melakukan  perluasan respon  ke  frekuensi  yang  lebih  rendah  tidak dapat  dilakukan.  Dengan  adanya  kekurangan tersebut menjadi salah satu peluang bagi sensor MEMS  yang  memiliki  rentang  frekuensi  yang lebih  lebar.  Gambar  4  menampilkan  respon frekuensi  dari  sensor  MEMS.  Berdasarkan gambar  tersebut,  tampak  respon  frekuensi sensor MEMS mulai dari 0.01Hz hingga 100Hz.
Sensor MEMS Sumber Getar Pengkondisi Sinyal Pemroses Sinyal Penampil
Gambar 2. Diagram Blok Desain Akuisisi Data
Gambar 3. Respon Frekuensi Geofon
Gambar 4. Respon Frekuensi MEMS MMA7361L
Sensor  MEMS  pada  dasarnya  bekerja mendeteksi percepatan dari gerakan tanah. Pada penelitian ini keluaran dari sensor MEMS yang berupa  percepatan  akan  di  ubah  menjadi kecepatan  di  dalam  proses  pengkondisi  sinyal. Proses  perubahan  ini  dilakukan  supaya  sensor MEMS  serupa  dengan  geofon  yang  berkerja mendeteksi kecepatan gerakan tanah. Rangkaian pengkondisi  sinyal  ini  dilengkapi  dengan rangkaian integrator yang dilengkapi kombinasi nilai R 1 = 15k, R 2 = 330k, dan C = 1µ (Gambar 5)  yang  berfungsi  mengubah  sinyal  percepatan MEMS menjadi sinyal kecepatan.
Gambar 5. Rangkaian Integrator
Sebelum  menerapkan  sensor  MEMS  beserta pengkondisi sinyalnya dilakukan terlebih dahulu tahap  pengujian  menggunakan  simulasi.  Hasil simulasi  keluaran  pengkondisi  sinyal  yang dilengkapi dengan integrator ditunjukkan oleh gambar  6.  Berdasarkan  hasil  simulasi  yang dilakukan  oleh software tampak  pada  gambar, sinyal  masukan  yang  berupa  sinyal  percepatan yang  ditandai  dengan  sinyal  sinus  (garis  hijau) terdapat perubahan pada sinyal keluaran berupa kecepatan  yang  ditandai  dengan  adanya perubahan sinyal menjadi cosinus (garis biru).
Berdasarkan  dari  hasil  simulasi  yang  telah dilakukan,  maka  pada  penelitian  ini  akan dilakukan pengembangan sensor MEMS sebagai sensor seismik.
Gambar 6. Hasil Simulasi Masukan dan Keluaran Sinyal pada Pengkondisi Sinyal

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Implementasi dari metode yang telah dipaparkan sebelumnya yaitu melakukan pengujian  dalam  skala  laboratoium  dengan menggunakan cantilevar  beam (Gambar  7) untuk  melihat  respon  frekuensi  dari  MEMS serta membandingkan dengan geofon SM-24.
Cantilevar Beam Sensor F ix e d E n d 30cm Gambar 7. Pengujian Sensor menggunakan

## Cantilevar Beam
Tahap  pertama  pengujian  yaitu,  menguji sensor  MEMS  tanpa  pengkondisi  sinyal tambahan  dengan  sensor  MEMS  yang  telah dilengkapi  dengan  pengkondisi  sinyal.  Gambar 8  menyajikan  konfigurasi  tahap  pertama  untuk
membandingkan sensor MEMS tanpa pengkondisi sinyal tambahan (MEMS Percepatan)  dengan  sensor  MEMS  yang  telah dilengkapi  dengan  pengkondisi  sinyal  (MEMS Kecepatan).
Hasil pengujian tahap pertama disajikan pada gambar 9. Tampak hasil pengujian kedua sensor MEMS  masih  memiliki  respon  frekuensi  yang sama,  namun  terdapat  perbedaan.  Dapat  dilihat untuk sensor MEMS Percepatan memiliki noise yang  cukup  besar  sedangkan  untuk  MEMS Kecepatan noise yang terdeteksi telah berkurang.  Hal  ini  disebabkan  karena  pada pengkondisi sinyal telah dilengkapi fungsi untuk mengurangi noise disekitar  sensor.  Setelah melakukan  pengujian  tahap  pertama,  dilakukan pengujian  tahap  selanjutnya  yaitu  melakukan proses  uji  untuk  MEMS  Kecepatan  dengan Geofon  SM-24.  Konfigurasi  pengujian  ini disajikan pada gambar 10.
Sensor MEMS MMA7361L
Cantilevar Beam Pengkondisi Sinyal Picoscope S5000 Penampil Sensor MEMS

## MMA7361L
Gambar 8. Konfigurasi Pengujian MEMS Accelerometer dengan MEMS Velocity
Gambar 9. Hasil Pengujian MEMS Accelerometer (Merah) dengan MEMS Velocity (Biru)
Hasil  respon  sinyal  MEMS  kecepatan dengan Geofon SM-24 tampak pada gambar 11. Garis  berwarna  biru  merupakan  sinyal  yang dihasilkan  oleh  geofon  dan  garis  berwarna merah  adalah  sinyal  yang  dihasilkan  oleh MEMS.  Pengujian  respon  sinyal  dilakukan dengan  memberikan  getaran  frekuensi  tinggi dan  frekuensi  rendah.  Gambar  11a  merupakan hasil respon sinyal  untuk frekuensi tinggi, dapat dilihat  pada  frekuensi  tinggi  baik  MEMS maupun  Geofon  memiliki  nilai  amplitudo  yang sama.  Hal  ini  dapat  dikatakan  bahwa  pada
getaran frekuensi tinggi MEMS dapat mendeteksi  getaran  dengan  baik  dan  sebanding dengan  geofon.  Sedangkan  untuk  hasil  respon sinyal  getaran  frekuensi  rendah  disajikan  pada gambar  11b,  dapat  dilihat  pada  gambar  bahwa MEMS  memiliki  nilai  amplitudo  yang  lebih besar jika dibandingkan dengan geofon. Hal ini disebabkan  karena  geofon  tidak  mampu mendeteksi  frekuensi  rendah  di  bawah  10Hz, sedangkan  MEMS  mampu  mendeteksi  getaran frekuensi rendah mulai dari 0.01Hz.
Sensor MEMS MMA7361L Cantilevar Beam Pengkondisi Sinyal Picoscope S5000
Penampil
Geofon SM-24
Gambar 10. Konfigurasi Pengujian MEMS dengan Geofon
(a) (b)
Gambar 11. (a) Hasil Pengujian Frekuensi Tinggi MEMS (Biru) dengan Geofon (Merah), (b) Hasil Pengujian Frekuensi Rendah MEMS (Biru) dengan Geofon (Merah)

## KESIMPULAN
Penelitian  ini  mengembangkan  sensor  MEMS sebagai  sensor  seismik.  Sensor  yang  digunakan adalah  sensor  MEMS  MMA7361L  dilengkapi dengan pengkondisi sinyal. Dimana pengkondisi sinyal ini dilengkapi dengan rangkaian integrator  yang  berfungsi  merubah  percepatan menjadi  kecepatan.  Sehingga  sensor  MEMS mampu  mendeteksi  kecepatan  gerakan  tanah. Sensor  tersebut  mampu  mendeteksi  getaran dengan rentang frekuensi 0.01Hz hingga 100Hz. Dengan demikian sensor MEMS dapat dikatakan  telah  mampu  digunakan  sebagai sesnor seismik yang mampu mendeteksi getaran frekuensi rendah hingga frekuensi tinggi

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada semua anggota Laboratorium Riset Measurement,  Circuit  and  System,  Universitas Brawijaya  dan  rekan-rekan  Tim  yang  telah membantu mengimplementasikan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  T. Deng, D. Y. Chen, J. B. Wang, J. Chen, W.  T.  He,  and  Y.  J.  Fan,  A  MEMS  based electrochemical  seismic  sensor,  2013 Transducers  Eurosensors  XXVII  17th  Int. Conf. Solid-State Sensors, Actuators
Microsystems, TRANSDUCERS
EUROSENSORS  2013,  June  (2013)  920– 923,doi: 0.1109/Transducers.2013.6626918
[2]  T.  Deng,  D.  Chen,  J.  Wang,  J.  Chen,  and W.  He,  A  MEMS  Based  Electrochemical Vibration  Sensor  for  Seismic  Motion Monitoring, J.  Microelectromechanical Syst. , 23(1) (2014) 92–99.
[3]  T.  Deng,  D.  Chen, J.  Chen,  Z.  Sun,  G.  Li, and  J.  Wang,  “Microelectromechanical Systems-Based  Electrochemical  Seismic Sensors  with  Insulating  Spacers  Integrated Electrodes  for  Planetary  Exploration”,
IEEE  Sens.  J.,  16(3)  (2016)  650–653,  doi: 10.1109/JSEN.2015.2491783.
[4]  G.  Li  et  al.,  “A  MEMS  based  seismic sensor using the electrochemical approach,” Procedia  Eng. ,  47  (2012)  362– 365, doi: 10.1016/j.proeng.2012.09.158.
[5]  D.  Chen  et  al.,  “Sensors  and  Actuators  A : Physical  A  micro  electrochemical  seismic sensor  based  on  MEMS  technologies,” Sensors Actuators A. Phys., 202 (2013) 85– 89, doi: 10.1016/j.sna.2012.12.041.
[6]  C. T. Chiang, “Design of a CMOS MEMS Accelerometer  Used  in  IoT  Devices  for Seismic  Detection,” IEEE  J.  Emerg.  Sel. Top.  Circuits  Syst. ,  8(3)  (2018)  566–577, doi: 10.1109/JETCAS.2018.2825604.
[7]  M. Pandit, C. Zhao, G. Sobreviela, X. Zou, and A. A. Seshia, Seismic Recording Using A  Mode  Localized  Mems  Accelerometer, Nanoscience Center, Department of Engineering,  University  of  Cambridge, Cambridge  ,  UK  MOE  Key  Laboratory  of Fundamental Physical Quantities
Measurement  &  Hubei  Key  Laboratory  of Gravitation a,” 2019 20th Int. Conf. Solid-
State  Sensors,  Actuators  Microsystems Eurosensors  XXXIII  (TRANSDUCERS EUROSENSORS  XXXIII),  June  (2019) 2150–2153,.
[8]  D.  J.  Milligan,  B.  D.  Hom,  and  R.  G. Walmsley, “An Ultra-Low N Noise MEMS
Accelerom  meter  for  Seismic  Imaging,”
IEEE Sens. J. , (2011) 8–11, doi:
10.1109/ICSENS.2011.6127185.
[9]  N.  Hakimitoroghi,  R.  Raut,  M.  Mirshafiei, and  A.  Bagchi,  “Compensation  techniques for  geophone  response  used  as  vibration sensor  in  seismic  applications,”  Proc.  Int. Conf. Sens. Technol. ICST, 2017 (2018) 1– 5, doi: 10.1109/ICSensT.2017.8304423.
[10] R.  G.  Walmsley  and  P.  G.  Hartwell, “Hewlett  packard’s  seismic  grade  mems accelerometer,” IEEE Sens. J. , (2011) 585– 588,.
[11] J.  Laine  and  D.  Mougenot,  “Benefits  Of MEMS Based Seismic Accelerometers For Oil  Exploration,”  in Transducers  & Eurosensors , (2007) 1473–1477.
[12] R. Brincker, B. Bolton, A. Brandt, B. Allé, and  D.-O.  M,  “Calibration  and  Processing of  Geophone  Signals  for  Structural Vibration Measurements,” in Experimental Mechanics , (2010) 1–5.
[13] J.  Lainé  and  D.  Mougenot,  “A  high- sensitivity  MEMS-based  accelerometer,” Lead.  EDGE ,  November  (2014)  1234– 1242.
[14] R.  Levy,  G.  Papin,  O.  Le  Traon,  D. Janiaud,  and  J.  Guerard,  A  high  resolution vibrating  beam  accelerometer  working  in nonlinear region for seismic ground sensor application, DTIP 2014 - Symp. Des. Test, Integr.  Packag.  MEMS/MOEMS,  April (2014) 4–6,
doi: 10.1109/DTIP.2014.7056683.
[15] F.  A.  Levinzon,  “Ultra-low-noise  seismic piezoelectric  accelerometer  with  integral FET  amplifier,” IEEE  Sens.  J. ,  12(6) (2012) 2262–2268, doi: 10.1109/JSEN.2012.2186564.
[16] T.  Aizawa,  T.  Kimura,  T.  Matsuoka,  T. Takeda,  and  Y.  Asano,  “Application  of MEMS  accelerometer  to  geophysics,” Int. J. Mech. , 4(2) (2008) 1–4.