TEKNOLOGI PROSES PEMBUATAN DIVAIS SENSOR GAS NO 2 DENGAN
LAPISAN AKTIF In 2 O 3
( PROCESS TECHNOLOGY OF FABRICATION NO 2 GAS SENSOR DEVICES WITH ACTIVE LAYER In 2 O 3 )

## Slamet Widodo*
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPET-LIPI) Kampus LIPI, Jl. Sangkuriang, Bandung, 40135, Telp. : (022) 2504660, 2504661; Fax : (022) 2504659
*email: slametwidodo50@gmail.com; slametwi_dodo@yahoo.co.id
Received 05 November 2013, Accepted 14 February 2014, Published 04 March 2014

## ABSTRAK
Dalam  tulisan  ini  dibahas  perancangan  dan  fabrikasi  sensor arrays gas  NO 2 berbasis  metal  oksida  dengan  teknologi thick  film .  Sensor  yang  dirancang  terdiri  dari komponen-komponen  penyusun,  yaitu: heater (pemanas),  elektroda (interdigital fingers), dan  lapisan  sensitif  dari  bahan  In 2 O 3 .  Sensor  ini  dibuat multilayers ,  komponen pemanas  dan  dua  buah  elektroda  telah  dirancang  dalam  satu  permukaan  dengan mempertimbangkan  aspek  miniaturisasi,  distribusi  panas,  dan  konsumsi  daya  dari  divais sensor.  Sedangkan  proses  pembuatan  pemanas  dan  elektroda  dilakukan  di  atas  substrat alumina  (Al 2 O 3 )  dengan  pasta silver /perak  (Ag).  Lapisan  In 2 O 3 memperlihatkan  adanya perubahan  resistansi  ketika  dilewatkan  gas  NO 2 .  Hal  itu  menunjukkan  bahwa  komponen penyusun sensor ini memiliki potensi untuk digunakan dalam mendeteksi gas NO 2 .
Kata kunci: Al 2 O 3 , divais sensor gas, In 2 O 3 , NO 2 , teknologi film tebal.

## ABSTRACT
This  paper  discuss  the  design  and  fabrication  of  NO 2 gas  sensor  based  on  metal oxide using thick film technology was described. The design of gas sensor is consisted of components,  i.e.  heater,  electrode  (interdigital  fingers)  and  sensitive  layer  from  In 2 O 3 material. This sensor has  been  designed as  multilayers with  heater and  both  electrodes  in one  surface,  in  accordance  with  miniaturisation  aspect,  heat  distribution  and  less consumption of energy from the sensor device. The heater and electrode were fabricated on alumina  substrate  (aluminum  oxide/Al 2 O 3 )  with  silver  paste.  The  In 2 O 3 layer  provides\ resistance change when it is exposed by NO 2 gas. It indicates that this sensor device has a potency to be used as NO 2 detector.
Keywords: Al 2 O 3 , Gas sensor devices, In 2 O 3 , NO 2 , thick film technology

## PENDAHULUAN
Sensor  sebagai  bagian  dari  komponen  elektronika  telah  mengalami  banyak perubahan  dalam  berbagai  hal.  Faktor  yang  mempengaruhi  perkembangan  sensor
diantaranya  adalah  kebutuhan  untuk  mengetahui  besaran  tertentu  misalnya  jenis  gas-gas pencemar (pollutant) diantaranya  gas  NO 2 (nitrogen  dioksida)  serta  adanya  kemajuan mengenai pengetahuan dan teknologi material beserta proses fabrikasinya.
Untuk  monitoring  pencemaran  udara  diperlukan  sensor  gas,  seperti  kita  ketahui bahwa  udara  disekitar  kita  terdiri  dari  gas-gas  buangan  yang  dapat  mempengaruhi kesehatan  misalnya  NO 2 .  Mengingat  hal  tersebut  sangat  penting  untuk  kehidupan,  maka diperlukan suatu usaha untuk mengatasi pencemaran tersebut (Mizsei and Lantto, 1992).
Pembuatan film tipis sebagai lapisan sensitif pada sensor gas dari campuran butiran nano  partikel  SnO 2 dengan  In 2 O 3 dengan  metode  sol-gel.  Film  tipis  oksida  ini  telah digunakan  sebagai  lapisan gas-sensing dan  sebagai  sensor  gas chemoresistive dengan penampilannya  dapat  mendeteksi  gas  nitrogen  dioksida  NO 2 pada  konsentrasi  2-20  ppm (dalam udara kering) telah dianalisis dan di karakterisasi ( Francioso et al. , 2006).
Saat  ini  sensor  gas  konvensional  memiliki  dimensi  yang  relatif  besar  dan  dengan harga yang cukup mahal sehingga diperlukan upaya untuk meminimalkan bentuk tersebut tanpa  mengubah  fungsinya agar dapat lebih  menghemat ruang dan  biaya. (Rodriguez and Garcia, 2007).
Teknologi  pembuatan  sensor  gas  ada  bermacam-macam,salah  satu  teknologi fabrikasi  sensor  gas  yang  sedang  berkembang  saat  ini  adalah  teknologi  film  tebal (Thick Film). Sensor gas semikonduktor metal oksida (SMO) berbasis teknologi thick film pertama kali  dibuat  oleh  seorang  ahli  dari  Jepang  yaitu  Prof.  Taguchi  sekitar  tahun  1960,  dengan tujuan awal sebagai detektor kebocoran LPG di rumah (Han, 2003).
Pada  teknologi  sensor  gas  semikonduktor,  terjadinya  proses  pendeteksian  gas disebabkan  oleh  reaksi  reduksi-oksidasi  (redoks) antara  gas  yang  dideteksi  dengan  atom- atom  material  sensor  sehingga  mempengaruhi  kemampuan  menghantarkan  listrik  (nilai resistansi)  sensor.  Oleh  karena  gas  itu  sendiri  memiliki  sifat  yang  berbeda-beda  maka prinsip kerja dari masing-masing sensor gas pun tidak sama (Barsan and Weimar, 2001) Pada  sensor  gas  berbasis  teknologi film  tebal  proses  pembuatannya  dilakukan dengan teknik screen printing . Teknik screen printing ini dilakukan dengan menempatkan tinta  atau  pasta  pada  substrat  sensor  melewati  screen  menggunakan  penekan (rakel)/ (squegee). Hanya  bagian screen yang  berlubang  atau  berpola  saja  yang  mencetak ( print ) pasta pada substrat (Haskard, 1988).
Sensor  ini  dapat  dibuat  dalam  dimensi  millimeter  (mm)  dengan  menggunakan teknik  ini.  Walaupun  dimensinya  cukup  kecil  tetapi  sensor  dengan  teknologi  film  tebal membutuhkan disipasi daya yang tinggi (1 – 5 Watt) / (Moseley, 1994).
Sensor  gas  berbasis  teknologi  film  tebal  memiliki  komponen-komponen  seperti heater , elektroda, dan lapisan sensitif ( sensing layer ) / (Williams and Coles, 1997).

## METODE PENELITIAN

## Mekanisme kerja sensor
Mekanisme  kerja  sensor  gas  berbasis  SMO  menyangkut  beberapa  proses  yang saling berkaitan. Proses pertama adalah terjadinya interaksi antar permukaan metal oksida (lapisan sensitif/In 2 O 3 ) dengan gas  yang dideteksi (gas target). Interaksi  ini  menyebabkan terjadinya  reaksi  kimia,  dimana  sifat  reaksinya  ditentukan  oleh  unsur  (ion-ion)  oksigen yang ada di permukaan lapisan metal oksida (In 2 O 3 ). Lapisan aktif In 2 O 3 yang digunakan hasil eksperimen sintesis In 2 O 3 nano partikel (Widodo, 2012). Proses kedua adalah proses perubahan  sifat  listrik  (konduktivitas)  dari  lapisan  metal  oksida  akibat  dari  reaksi  kimia tersebut. Proses ini  mula-mula hanya terjadi di daerah permukaan butiran partikel  lapisan metal  oksida.  Selanjutnya  terjadi  akses  oleh  partikel  metal  oksida  bagian  dalam  terhadap gas  target.  Terjadinya  reaksi  antara  gas  dengan  permukaan  metal  oksida  dapat  dianggap sebagai sebuah proses difusi ke arah substrat dari sensor SMO.
Untuk  gas-gas  yang  bersifat  pengoksidasi  seperti  NO 2 ,  molekul-molekul  NO 2 bereaksi  dengan  elektron  (e-)  terserap  ke  permukaan  SMO.  NO 2- yang  terserap  akan mengikat  elektronnya  ketika  bereaksi  dengan  molekul  gas  pengoksidasi,  sehingga meningkatkan  konduktivitas  dari  lapisan  SMO  (Wetchakuna et  al. ,  2011). Menggunakan model sederhana, ada dua kemungkinan reaksi yaitu:
NO 2 (gas) + e - ↔  NO 2- (ads)
(1)
NO 2- (ads) + O - (ads) + 2e - ↔   NO (gas) + 2O 2- (ads)       (2)
Adapun mekanisme kerja dari sensor ini adalah seperti dijelaskan dalam Gambar 1. berikut ini.
Gambar 1. Model mekanisme reaksi di permukaan sensor gas berbasis SMO.
Untuk  lapisan  metal  oksida  yang  padat  ( compact ),  molekul  gas  tidak  dapat menembus  lapisan  sensitif  dan  proses  interaksi  hanya  terjadi  di  permukaan.  Apabila lapisannya bersifat porous, molekul gas bisa menembus ke dalam lapisan sensitive sampai ke  substrat.  Interaksi  dengan  gas  bisa  terjadi  di  permukaan  masing-masing  butiran,  di perbatasan  antar  butiran,  di  interface  antara  butiran  dengan  elektroda,  dan  di  interface antara butiran dengan substrat (Barsan and Weimar, 2001).
Dari  reaksi  diatas,  terlihat  bahwa  perubahan  konsentrasi  oksigen  di  udara  akan mengubah  kecepatan  reaksi  redoks  dan  mempengaruhi  sinyal  output  dari  sensor. Hubungan anatara konduktivitas lapisan SMO ( ) dengan konsentrasi gas target (C) dapat dinyatakan dengan persamaan (3).
= k C n (3)
Dimana  k  :  adalah  konstanta  proporsionalitas  hasil  pengukuran  yang  unik/khas  terhadap lapisan SMO, dan eksponen n memiliki rentang dari 0,3 sampai 0,8. Karena sifatnya yang non-linear,  biasanya  diperlukan  proses  linearisasi  melalui  rangkaian  elektronik  atau software.  Selain  itu,  agar  material  SMO  dapat  bereaksi  dengan  gas  target  (reaksi  redoks dapat  terjadi),  perlu  pemanasan  dengan  temperatur  antara  90  –  250  °C.  Menaikkan temperatur  sensor  berarti  memerlukan  elemen  pemanas (heater) yang  terintegrasi  dengan sensor. Oleh karena itu, sensor gas SMO biasanya memerlukan konsumsi daya yang relatif besar.

## Bentuk respon sensor
Pada  dasarnya,  respon  sensor  gas  teknologi  thick  film  ini  adalah  perubahan  nilai konduktans sensor terhadap perubahan konsentrasi gas. Secara umum dinyatakan sebagai:
0 G G
S (4) Dengan S : Sensitivitas G : Konduktans sensor ketika ada gas pereduksi G 0 : Konduktans sensor ketika tidak ada gas pereduksi.
Persamaan  di  atas  tersebut  identik  dengan  persamaan  sensitivitas  yang dikemukakan oleh Cirera.
Sesuai statistik Maxwell-Boltzmann, konduktifitas (G) dirumuskan :
kT eVs e env R G . 1 (5)
Dengan v adalah bulk mobility dan n adalah konsentrasi elektron.
Sedang Vs adalah tegangan Schottky barrier , didefinisikan sebagai :
2 0 1 V V s (6)
V 0 adalah barrier height pada saat tidak ada gas pereduksi, didefinisikan sebagai :
D s N N V . . e . 2 2 0 (7)
Sedangkan 2 1 merupakan  parameter  kondisi  gas  pada  konsentrasi,  tekanan  dan suhu tertentu.
Dengan : Ns adalah kerapatan di permukaan sensing (m -2 ),
N D adalah konsentrasi donor ( oxygen vacancies ) (m -3 ),
e adalah muatan elektron (eV)
ε adalah konstanta dielektrik bahan semikonduktor.
ρ adalah masa jenis gas (kgm -3 ) p adalah Tekanan Parsial gas (Nm -2 )
Sedang П didefinisikan sebagai :
kT h mkT 2 3 2 2
(8)
Dengan:
m = masa gas pereduksi (dalam hal ini CO)
h = tetapan planck = 4,134.10 -5 eV
T = suhu absolut ( o K)
Dengan  menggunakan  persamaan  di  atas,  dan  dengan  mendefinisikan  G 0 sebagai konduktifitas sensor pada udara bebas, maka :
kT eV vne e G 0 0
(9)
Dari persamaan-persamaan di  atas, didapat  hubungan persamaan  untuk sensitifitas sensor (G/G 0 ) sebagai berikut :
p kT eV G G 1 1 1 exp 0 0
(10)
Pada  saat  tidak  ada  gas  (p=0),  persaman  sensitifitas  menjadi  bernilai  1  (G/G 0 =1).  Pada konsentrasi gas tinggi (tekanan tinggi), yaitu ketika ρ(p/П)>>1, maka sensitifitas mencapai titik saturasi :
kT eV sat e G G 0 . 0
(11)
Dari persamaan (9) dan (10), didapatkan persamaan :
c sat G G G G 1 1 1 0 0 (12)
Dengan c adalah  konsentrasi  gas  (dalam ppm ),  (G/G 0 ) sat dan  β  adalah  parameter  yang didapatkan dengan memadukan persamaan dengan data percobaan (Barsan, 2008).
Secara  garis  besar,  sensor  gas  teknologi  thick  film  ini  tersusun  atas  sepasang elektroda,  pemanas  dan  sensitive  layer  yang  peka  terhadap  rangsangan  gas,  yang kesemuanya dicetak pada kepingan substrat dari bahan alumina (Al 2 O 3 ) 96 %.
Adapun hal - hal yang diharapkan adalah :
1. Modifikasi material metal oksida untuk meningkatkan sensitivitas sensor.
2. Penggunaan sensor array untuk meningkatkan selektivitas sensor.
3. Penggunaan  teknologi thick  film dan  teknik  Sputtering  untuk  menghasilkan  divais
dengan konsumsi daya yang rendah.
Pemilihan  jenis  material  dan  metoda  proses  yang  belum  banyak  dieksplorasi penggunaannya dalam rancang bangun sensor gas akan memberikan aspek orisinalitas

## Teknologi fabrikasi divais sensor gas
Dengan  kemajuan  di  bidang  teknologi  fabrikasi  divais,  sensor  gas  SMO memungkinkan dibuat diatas substrat keramik (teknologi thick film) atau silikon (teknologi thin  film ).  Dalam  teknologi thick  film ,  digunakan  substrat  seperti  Alumina  (Al 2 O 3 ),  dan kemudian  lapisan  seperti  elektroda,  heater,  dan  metal  oksida  dicetak  diatasnya menggunakan  teknik  screen  printing.  Karena  ketebalan  substrat  dan  lapisannya  masih cukup  besar,  maka  divais  sensor  yang  dibuat  menggunakan  teknologi thick  film masih memerlukan konsumsi daya yang cukup besar, antara 200 mW – 1W (Williams and Coles, 1977).  Konsumsi  daya  sebesar  ini  telah  membatasi  aplikasinya  untuk  sistem  sensor  yang portabel.
Dengan  teknologi  thin  film,  sensor  dibuat  menggunakan  substrat  silikon,  dan lapisan-lapisan  pembentuknya  ditumbuhkan  menggunakan  proses  seperti  sputtering, evaporasi,  atau chemical  vapor  deposition  (CVD). Untuk  mengurangi  konsumsi  daya, substrat silikonnya  bisa dietsa hingga  membentuk  membran tipis  menggunakan teknologi Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Konsumsi daya dari sensor gas SMO dengan teknologi ini berkisar antara 30 – 50 mW (Graf, et al., 2007). Untuk mendeteksi gas NO 2 , lapisan  sensitif  yang  digunakan  dalam  sensor  SMO  biasanya  indium  oksida  (In 2 O 3 ) (Steffes et al. , 2001; Nomani et al. , 2011).
Proses  konduksi  atau  perpindahan  listrik  berlangsung  atau  terjadi  pada  molekul- molekul  In 2 O 3 .  In 2 O 3 merupakan  bahan  semikonduktor  tipe-n  yang  mempunyai  celah energy  yang  relatif  lebar  (3,6  eV)  (Han,  2003).  Penyerapan  terhadap  oksigen  (oksidasi) oleh  lapisan  permukaan  akan  menarik  elektron  dari  pita  konduksi,  sehingga  kemampuan menghantar  listrik  jadi  berkurang  atau  nilai  resistansnya  meningkat.emudian  dengan hadirnya gas seperti NO 2 , atom-atom N dan O bereaksi dengan oksigen yang telah diserap pada  permukaan  molekul  In 2 O 3 tadi,  yang  kemudian  akan  timbul  NOx  sebagai  hasil reaksinya,  dan  sekaligus  melepaskan  elektron-elektron  yang  telah  terikat  tadi  kembali  ke pita konduksi. Sehingga resistansinya turun, dan itu berarti konduktifitas-nya meningkat.
Selama  tidak  ada  gas  pereduksi,  elektron tersebut  akan  sangat  sulit  untuk terlepas sehingga terbentuk suatu surface charge density yang  merupakan potential  barrier  acuan, disebut  juga  Schottky  barrier.  Selanjutnya,  pada  suhu  yang  sama  pada  kondisi  ada  gas
pereduksi, molekul-molekul gas pereduksi akan bereaksi dengan atom-atom oksigen. Pada reaksi reduksi tersebut elektron yang semula diikat, akan terlepas lagi sehingga berdampak turunnya level Schottky barrier secara drastis.

## Perancangan dan proses pembuatan sensor gas
1. Tahapan perancangan dan fabrikasi
Untuk  mencapai  hasil  sesuai  dengan  yang  diharapkan,  proses  pabrikasi  sensor  ini dilakukan dalam beberapa tahap.Tahapan-tahapan ini bisa dilihat dalam Gambar 2.

## Gambar 2. Tahapan proses perancangan dan fabrikasi sensor gas

## 2. Spesifikasi sensor
Dalam proses perancangan suatu devais, sebagai langkah awal adalah menentukan spesifikasi  dari  divais  yang  akan  dibuat.  Spesifikasi  umum  yang  diharapkan  (Nomani et al. , 2011) dari sensor ini adalah sebagai berikut:
Dimensi :
Suhu operasi  : 27 °C – 350 °C
Daya kerja heater : 10 W
3. Perancangan dan pembuatan tata letak ( lay out ) sensor
Perancangan  yang  akan  dibahas  disini  ialah  ketentuan  umum  dari  perancangan yaitu perancangan heater , perancangan elektroda dan perancangan lapisan sensitif.
Suatu  sensor  gas  yang  dibuat  dengan teknologi  film  tebal  terdiri  dari  beberapa komponen  utama.  Selain  lapisan  sensor  itu  sendiri,  sensor  gas  tersusun  dari  sebuah
pemanas  atau  heater  dan  sepasang  elektroda.Baik  heater  ataupun  elektroda,  keduanya merupakan jenis konduktor. Oleh sebab itu dalam perancangan sensor gas tekonologi film tebal  ini  perlu  diperhatikan  aturan-aturan  dalam  merancang  suatu  konduktor  film  tebal termasuk juga external pad .
Selanjutnya,  pada  aplikasi  pemanas (heater) ,  supaya  temperatur  yang  dihasilkan bisa  dipusatkan  pada  bagian  yang  diinginkan,  dan  pada  elektroda  supaya  kepresisian dimensi  lapisan  sensor  terjaga,  maka  diperlukan  semacam  isolator  dari  bahan  dielektrik yang dilapiskan diatas kedua komponen tadi, pelapisan ini disebut juga enkapsulasi.

## 3.1 Perancangan pemanas (Heater)
Temperatur adalah salah satu faktor terpenting yang menentukan keberhasilan dari sensor gas teknologi film tebal ini. Distribusi temperatur yang sesuai akan mempengaruhi tingkat  selektifitas  dan  sensitifitas  dari  elemen  sensor  ini.  Pemanas  dirancang  terletak bersebelahan dengan elektroda.
Untuk  menentukan  karakteristik  dari heater ,  parameter-parameter  yang  harus diperhatikan diantaranya adalah: suhu yang diinginkan, daya yang dibutuhkan, dan luasan daerah  yang  ingin  dipanasi,  serta  karakter  dari  bahan  heater  itu  sendiri Temperature Coefficient  Resitance (TCR)  ,  disipasi  arus  maksimum  yang  mampu  melewati,  dan  lain- lain.  Untuk  itu,  langkah  pertama  yang  dilakukan  adalah  menentukan  karakteristik  heater yang diinginkan, yaitu:
Th : Temperatur kerja (350 °C)
Tc : Temperatur awal (25 °C)
P : Daya pada temperature kerja (10 W)
TCR  : Temperature Coefficient Resitance (3900)
Langkah selanjutnya adalah menentukan nilai resitans heater pada temperatur kerja (RH).  Perhitungan  nilai  RH  diawali  dengan  menentukan  tegangan  sumber,  sumber tegangan yang digunakan bervariasi mulai dari 2 V hingga 10 V. Tegangan sumber sebesar 2  V  hingga  10  V  dipilih  dengan  pertimbangan  dimana  dengan  tegangan  sebesar  10  V temperatur kerja yang diinginkan dapat tercapai dan dengan daya 10 W maka nantinya bisa dihasilkan arus kerja yang cukup yang sesuai dengan karakteristik bahan yang digunakan. Sehingga dihasilkan desain layout seperti dalam Gambar 3.

## Gambar 3. Desain layout heater
Selanjutnya, untuk  menghasilkan panas  pemanas (heater) yang optimal, permukaan pemanas (heater) dilapisi  dengan  sejenis  bahan  dielektrik  tahan  panas  yang  disebut  juga coating.Lapisan ini dibuat menutupi daerah efektif pemanas (heater), dimaksudkan supaya panas yang dihasilkan tidak terlalu cepat terbuang, melainkan terus mengalir ke elektroda di sisi sebaliknya.Bentuk rancangan lapisan coating ini dapat dilihat dalam Gambar 4.
Gambar 4. Lapisan coating heater

## 3.2. Perancangan elektroda
Elektroda  yang  digunakan  pada  umumnya  adalah  sepasang  elektroda  berbentuk interdigital  fingers dari  bahan nobel  metal misalnya  Au  atau  Ag.  Struktur  tersebut dimaksudkan  untuk  meminimalisasi  ruang  namun  dapat  mengoptimalkan  daerah  sensing, serta memudahkan dalam penentuan nilai resistansi.
Dari  luasan  lapisan  sensor  yang  diperoleh  yaitu  6  mm  x  6  mm,  maka  pasangan elektroda  yang  direncanakan  haruslah  memiliki  luasan  efektif  yang  sama,  luasan  yang dimaksud ditunjukkan dalam Gambar 5.
Selanjutnya  dengan  mengacu  pada  Gambar  5,  diasumsikan  bahwa  masing-masing jari memiliki lebar 0,4 mm, panjang 5 mm, dengan jarak antar masing-masing jari 0,4 mm. Dari  asumsi-asumsi  tersebut,  dihasilkan  elektroda  yang  memiliki  4  pasang interdigitated fingers dalam area 6mmx6mm. Secara rinci dapat dilihat dalam Gambar 6.
Gambar 6. Desain struktur interdigitated fingers
Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa nilai tersebut hanyalah nilai resistansi masing- masing elektroda pada 6 mm x 6 mm. Sesuai dengan Gambar 6, maka diperlukan pad-pad dan kaki-kaki pada elektroda tersebut. Dengan juga mengacu pada spesifikasi sensor yang disebutkan  sebelumnya  yaitu  ukuran  panjang  dari  sensor  yang  tidak  lebih  dari  25  mm, maka perlu penambahan kaki dan pad. Untuk menyesuaikan dengan substrat yang tersedia dan  mengoptimalkan  luas maka dalam penelitian ini panjang sensor ditentukan sepanjang 23  mm.  Dari  berbagai  tahapan  dan  hasil  perancangan  elektroda  diatas,  maka  didapatkan desain layout elektroda seperti dalam Gambar 7.
Gambar 7. Desain Layout Elektroda Sensor
Selanjutnya, untuk menjamin luas daerah penyensoran pada elektroda, dibuat lapisan dielektrik di tepi-tepi elektroda seperti dalam Gambar 8.
Gambar 8. Lapisan coating elektroda

## 3.3. Proses fabrikasi heater dan elektroda
Langkah  pertama  adalah  proses  pencetakan,  lapisan  pertama  yang  dicetak  adalah elektroda. Screen dengan  pola  elektroda  diatur  sedemikian  rupa  pada  screen  printer sehingga  pola  elektroda  yang  akan  dicetak  berada  pada  posisi  yang  tepat  diatas  bidang permukaan  substrat.  Selanjutnya  dilakukan  pengaturan  jarak snap-off dan  tekanan  rakel pada screen printer . Setelah itu dilakukan proses pencetakan dengan pasta konduktor dari bahan emas. Nama produk pasta yang digunakan adalah D-5670 (Shoei Chemical Inc.).
Setelah  lapisan  elektroda  tercetak  dengan  benar,  hasil  cetakan  didiamkan  selama kurang  lebih 5  menit, supaya permukaan  cetakan  menjadi  halus dan  ikatan pasta  menjadi kuat.  Selanjutnya  dilakukan  pengeringan  dengan  menggunakan  oven.  Temperatur  yang digunakan 100  °C selama 15  menit. Pengeringan  dilakukan  supaya  lapisan elektroda tadi menjadi  keras.  Sampai  tahap  ini,  lapisan  elektroda  masih  bisa  dihapus  dengan menggunakan thinner jika diinginkan pengulangan proses pencetakan.
Setelah  proses  pengeringan  lapisan  elektroda,  langkah  selanjutnya  yang  dilakukan adalah  proses  pencetakan  lapisan  heater.  Pasta  yang  digunakan  untuk  lapisan  heater  ini sama dengan pasta untuk lapisan elektroda, yaitu pasta Palladium Silver (D-5670 produksi Shoei  Chemical  Inc.).  Proses  ini  sama  dengan  proses  pencetakan  lapisan  elektroda. Pencetakan heater dilakukan tepat dibelakang lapisan elektroda. Oleh karena itu diperlukan pengaturan  letak  masker heater yang  cermat  sebelum  proses  pencetakan  supaya  posisi lapisan heater tepat dibalik lapisa elektroda. Seperti pada lapisan elektroda, setelah proses pencetakan,  lapisan heater juga  didiamkan  selam  5  menit  baru  kemudian  dikeringkan dalam oven dengan temperatur 100 °C selama 15 menit.
Setelah  proses  pengeringan,  langkah  selanjutnya  adalah  proses  pembakaran. Pembakaran  dilakukan  dengan  menggunakan  tungku  pembakaran  ( Conveyor  belt  furnace RTC  LA-310)  yang  bisa  diatur  temperatur  dan  kecepatannya  melalui  computer  dan program yang sudah built in. Pengaturan temperatur dilakukan pada tiga zone pembakaran
dengan  temperatur  puncak  850 ° C  dan  lamanya  kurang  lebih  45  menit.  Setelah  proses pembakaran, didapatkan hasil seperti dalam Gambar 9.
Gambar 9. Hasil pembakaran lapisan heater dan elektroda

## 3.4. Proses enkapsulasi
Setelah  melalui  proses  pembakaran, heater dan  elektroda  dilapisi  lagi  dengan lapisan isolator dari bahan dielektrik, proses ini dinamakan enkasulasi. Proses enkapsulasi pada heater dilakukan supaya panas yang dihasilkan tidak cepat terbuang, sedangkan pada elektroda  dilakukan  untuk  menjaga  kepresisian  dimensi  In 2 O 3 .  Bahan  yang  digunakan adalah pasta dielektrik dari Shoei Chemical Inc. (G-5234).

## PEMBAHASAN
Setelah sensor tersebut mengalami proses fabrikasi, sensor tersebut kemudian diuji. Pengujian  ini  dimaksudkan  untuk  mengetahui  berbagai  parameter  yang  terdapat  pada sensor  tersebut,  diantaranya  adalah  suhu  kerja heater ,  suhu  kerja  sensor,  resistansi elektroda,  tingkat  kesensitifan  sensor  dan  reliabilitas  sensor.  Oleh  karena  itu  dilakukan beberapa  tahap  pengujian,yaitu  pengujian heater ,  pengujian  elektroda  dan  pengujian sensor.  Gambar  10  merupakan  gambar  divais  sensor  secara  keseluruhan  hasil  proses fabrikasi.

## Pengujian heater
Pada  penelitian  ini,  dilakukan  pengujian  resistansi  heater . Pengujian  dilakukan terhadap chip hasil  fabrikasi, pengukuran dilakukan pada suhu kamar (27  °C). Data hasil pengujian  nilai resistansi heater menunjukkan  bahwa resistansi heater bernilai  sekitar 8,0 Ω.
Selain  pengujian  resistansi  juga  dilakukan  pengujian  terhadap  temperatur heater . Pengujian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  sebuah Power  Supply ( Daiwa  DC  Power Supply 9-15/30 A model ps-3000), divais  sensor dan sebuah AVO  meter  yang dilengkapi dengan  thermometer  dengan  tipe  Krisbow  KW  06-272,  dengan  pemasangan  seperti ditunjukkan pada Gambar 11.

## Gambar 11. Skema pendeteksian temperatur pada divais sensor
Pengaturan  sumber  tegangan  0,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9  dan  10  volt  akan  didapatkan temperatur  yang  semakin  tinggi  pada Heater  Chip ,  dengan  semakin  dinaikkan tegangannya, seperti ditunjukkan pada Gambar 12.
Gambar 12. Grafik perubahan temperatur heater terhadap perubahan masukan tegangan searah
Dari  gambar  12  dapat  dilihat  pada  divais  sensor  tersebut  memerlukan  tegangan input  hingga  10  volt  untuk  mencapai  temperatur  350 °C.  Sedang  pada  Gambar  13 memperlihatkan  semakin  tinggi  temperatur  maka  semakin  besar  pula  disipasi  daya  yang terjadi.

## Gambar 13. Grafik hubungan perubahan daya terhadap temperatur chip
Dari  Gambar  13  dapat  dilihat  semakin  tinggi  temperatur  yang  diperoleh  maka semakin  besar  pula  disipasi  daya  yang  terjadi.  Selain  pengujian heater ,  resistansi  lapisan sensitif  In 2 O 3 pun  dilakukan  pengujian.  Hal  ini  dilakukan  supaya  dapat  diketahui perubahan  resistansi  pada  divais  sensor  pada  saat  mengalami  pemanasan  dan  melakukan penyensoran.  Grafik  pengujian  perubahan  resistansi  lapisan  sensitif  In 2 O 3 terhadap perubahan temperatur pemanas ( heater) dapat dilihat pada Gambar 14. Dari Gambar 14 ini dapat dilihat resistansi lapisan sensitif In 2 O 3 meningkat seiring dengan meningkatnya suhu.
Gambar 14. Grafik tanggapan perubahan resistansi terhadap perubahan temperatur
Gambar 15. Grafik pengukuran resistansi terhadap waktu pada suhu 150 o C
Gambar  15  dapat  dilihat  bahwa  devais  sensor  gas  mampu  mendeteksi  (bereaksi) dengan  gas  NO 2 (pada  konsentrasi:  500  ppb  -  10  ppm)  walaupun  berupa  perubahan  nilai resistansi  yang  turun  naik  dengan  bertambahnya  kadar  gas  NO 2 . Turun  naiknya  kurva menunjukkan  lapisan  sensitif  (In 2 O 3 )  sedang  mengalami  interaksi  dengan  gas  NO 2 .  Gas NO 2 sedang  mengalami  adsordsi  kedalam  permukaan  lapisan  sensitif  (In 2 O 3 )  sehingga resistansi  divais  gas  sensor  mengalami  naik  turun,  ini  menunjukkan  divais  gas  tersebut berfungsi.
Gambar 16. Respon sensor terhadap konsentrasi pada suhu optimal 150 °C.
Devais sensor ini dapat bekerja pada selang temperatur antara 25 °C hingga 250 °C. Karakterisasi  listrik  dari  sensor  menunjukkan  respon  meningkat  pesat  pada  lapisan  aktif In 2 O 3 yang  berstruktur  nano  partikel.  Gambar  16  menunjukkan  korelasi  antara  respon sensor  dan  konsentrasi  gas  NO 2 (  500  ppb  -  10  ppm  )  pada  suhu  optimal  150  °C.  Kurva
karakteristik  ini  mendekati  linear  menunjukkan  bahwa  sensor  mampu  mendeteksi konsentrasi  NO 2 yang  lebih  tinggi  dengan  sensitivitas  yang  meningkat  .  Oleh  karena  itu, material  In 2 O 3 nano partikel  sebagai  bahan aktif  yang  menjanjikan untuk fabrikasi sensor gas berkinerja tinggi .

## KESIMPULAN
Dari  hasil  pengujian  divais  sensor  yaitu pengukuran  resistansi  sensor  terhadap perubahan temperatur didapatkan hasil sebagai berikut:
1. Pemanas (Heater) sensor gas hasil fabrikasi mampu mencapai temperatur kerja 350 °C dengan tegangan masukan sebesar 10 volt, dengan arus 1,25 A dan daya sebesar 12,5 watt.
2. Sensor  gas  dengan  teknologi  film  tebal  yang  telah  dibuat,  telah  mampu  bereaksi terhadap  gas  NO 2 ,  berupa  perubahan  nilai  resistansi  sensor  yang  turun  naik  dengan bertambahnya gas NO 2 .
3. Kurva karakteristik  mendekati  linear  menunjukkan  bahwa sensor  mampu  mendeteksi konsentrasi  NO 2 yang  lebih  tinggi  dengan  sensitivitas  meningkat.  Oleh  karena  itu, lapisan  aktif  nano  partikel  In 2 O 3 sebagai  bahan  (material)  yang  menjanjikan  untuk fabrikasi sensor gas berkinerja tinggi .

## DAFTAR PUSTAKA
Barsan, N. and Weimar, U., 2001, Conduction Model of Metal Oxide Gas Sensors, Journal of Electroceramics , vol.7, 2001, p. 143-167.
Barsan, N, 2008, Gas Sensing Mechanisms in Thick and Porous SnO 2 Layers, Institute for Interface Analysis and Sensor , Tuebingen.
Francioso,  L.,     Forleo,  A.,  Capone,  S.,   Epifani,  M.,   Taurino,  A.M.,  and  Siciliano,  P., 2006, Nanostructured In 2 O 3 –SnO 2 sol–gel thin  film as  material  for NO 2 detection ,
Sensors & Actuators : B. Chemical, vol. 144, no. 2, pp. 646 – 655.
Graf, M., Barretino, D., Baltes, H.P. and Hierlemann, A., 2007, CMOS Hotplate Chemical Microsensors , Springer.
Haskard,  M.  R,  1988, "Thick  Film  Hybrid  Manufacture  and  Design" ,  Pretice  Hall,  Inc, New Jersey.
Mizsei,  J.  and  Lantto,  V.,  1992,  Air  Pollution  Monitoring  With  A  Semiconductor  Gas Sensor Array System , Sensors and Actuators : B. Chemical, vol. 6, isssue 1 – 3 , pp. 223-227.
Moseley,  P.  T.,  1994, Thick-film  semiconductor  gas  sensors, dalam Thick  Film  Sensors , Prudenziati, M., Elsevier Science, Amsterdam, pp. 289-311.
Nomani, Md.  W.K.,  Kersey,  D.,  James,  J.,  Diwan,  D., Vogt,  T.,  Webb,  R.A.,  and  Koley, G., 2011, Highly sensitive and multidimensional detection of NO 2 using In 2 O 3 thin films, Sensors and Actuators: B. Chemical , vol. 160, no. 1, pp. 251 – 259.
Rodriguez, J.  A., and Garcia, M. F. (ed), 2007, Synthesis, Properties, and Applications of Oxide Nanomaterials , John Wiley & Sons.
Wetchakun a , K., Samerjai, T., Tamaekong, N., Liewhiran a , C., Siriwong a , C., Kruefu a , V., Wisitsoraat,  A.,  Tuantranont,  A.,  and Phanichphant,  S.,  2011,  Semiconducting metal  oxides  as  sensors  for  environmentally  hazardous  gases, Sensors  and Actuators: B. Chemical, vol. 160, pp. 580– 591.
Widodo,  S.,  2012,  Proses  Sintesis  Indium  Oksida  (In 2 O 3 )  Nano  Partikel  Dengan  Metode Sol  Gel  Sebagai  Lapisan  Aktif  Pada  Sensor  Gas, Prosiding  Seminar  Nasional Teknik Kimia Universitas Katolik Parahyangan Bandung .
Williams, G., and Coles, G. S. V., 1997, Micropowered Gas Sensors Using Thick and Thin Films  of  Semiconducting  Oxides, Sensors  and  Their  Applications  VIII ,  IOP Publishing, pp. 219-224.