Performa Sensor Berbasis Magneto-Impedansi pada Multilapisan [Ni 80 Fe 20 /Cu] N
Blasius Anggit Wicaksono, ∗ Nuryani, dan Budi Purnama Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No 36A Surakarta 57126

## Intisari
Telah dilaksanakan analisis performa sensor magnetik berbasis magneto-impedansi multilapisan [Ni 80 Fe 20 /Cu] N pada kawat Cu. Multilapisan adalah hasil elektrodeposisi dengan Pt (platina) sebagai elektroda. Performa sensor diamati dari hasil pengukuran nisbah magneto-impedansi dan sensitifitas sampel. Sedangkan sensor dimodifikasi berdasarkan modifikasi ketebalan lapisan konduktor dan jumlah perulangan pada sistem multilayer serta variasi bentuk geometri sensor. Hasil pengamatan memperlihatkan bahwa sensitifitas sensor MI tertinggi adalah 53,75%/mT untuk sampel [Ni 80 Fe 20 (800nm)/Cu (200nm)] 3 .

## Abstract
Analysis of performance magnetic sensor has been carried out based magneto-impedance of [Ni 80 Fe 20 /Cu] N multilayers on Cu wire. The multilayer is the result of electro-deposition methods with Pt (platinum) as the electrode. Sensor performance observed from the measurement of magneto-impedance ratio and sensitivity of the sample. While the sensor is modified based on the thickness of the conductor layer, the number of repetition in multilayer systems and a shape of geometric sensor. The observation shows that the highest MI sensor sensitivity is 53.75% / mT to sample of [Ni 80 Fe 20 (800nm)/Cu (200nm)] 3 .
K ATA KUNCI : sensitivity sensor MI, Ni 80 Fe 20 , electro-deposition

## I. PENDAHULUAN
Dewasa ini, terdapat beberapa ragam metode yang tersedia untuk mengindera dan mengukur kuat medan magnet seperti metode efek Hall, metode induksi, metode flux-gate, mag- neto resistansi dan magneto-impedansi. Metode magneto- impedansi merupakan metode pengembangan lebih lanjut perubahan sifat kelistrikan bahan akibat medan terpasang. Dalam perkembangannya, magneto-impedansi (MI) menarik perhatian para ilmuwan mengingat sensor magneto-impedansi dapat ditumbuhkan di atas substrat fleksibel [1] dan sensitifi- tasnya yang sangat tinggi hingga mencapai orde pico Tesla [2].
Selanjutnya, sensor MI banyak diaplikasikan di berbagai bidang, misalnya deteksi kendaraan, geomagnetik, deteksi mata uang, sensor gerak, sensor arus, disk drive [1]. Akhir- akhir ini, sensor MI ini banyak dikembangkan untuk mende- teksi sumber medan magnet bio-medikal dari tubuh manusia seperti jantung, sistem komunikasi pada neuron [3, 4].
Pada makalah ini, sensor berbasis fenomena magneto- impedansi pada multilapisan [Ni 80 Fe 20 /Cu] N hasil elektro- deposisi untuk frekuensi jangkauan rendah dievaluasi per- formanya berdasar perolehan nilai nisbah MI dan sensitifi- tas. Sensor dimodifikasi meliputi ketebalan lapisan konduktif
∗ E- MAIL : wicakgitya@gmail.com
(spacer Cu), jumlah perulangan lapisan, dan bentuk geometri sampel.

## II. METODOLOGI PENELITIAN
Multi lapisan tipis pada penlitian ini dihasilkan meng- gunakan metode elektro-deposisi dengan elektroda kawat Pt (platina). Prosedur penumbuhannya mengadopsi dengan memodifikasi pada penelitian sebelumnya [5]. Substrat yang dipakai pada penelitian berupa kawat Cu (tembaga) berdiam- eter 0,46 mm. Substrat digunakan dibersihkan ultrasonic cleaner dalam lingkungan alkohol.
Bahan-bahan yang digunakan untuk membuat larutan elek- trolit dapat dilihat pada Tabel I. Larutan elektrolit tersebut diupayakan mencapai keadaan asam yang ukuran pH berkisar 2,7 dengan cara diberikan beberapa tetes H 2 SO 4 1M.
Gambar 1 menunjukkan skema proses elektro-deposisi lapisan Ni 80 Fe 20 dan Cu. Mula-mula proses penumbuhan lapisan Ni 80 Fe 20 sebagai komponen magnetik multi-lapisan pada substrat menggunakan rapat arus 15,5 mA/cm 2 . Sete- lah itu dilanjutkan proses deposisi Cu dengan rapat arus 8 mA/cm 2 sebagai lapisan konduktif pada substrat yang se- belumnya telah dilapisi lapisan magnetik Ni 80 Fe 20 . Kedua proses pelapisan tersebut dilakukan berulang-ulang, sehingga terbentuklah lapisan multi-lapisan/multilayer.
Pada eksperimen ini, tiga tipe sampel sensor magneto- impedansi dievaluasi performanya. Sampel pertama dibuat
TABEL I: Elektrolit bath untuk deposisi multi-lapisan [Ni 80 Fe 20 /Cu] N . Elektrolit Bahan Jumlah Pembentuk NiFe NiSO 4 .6H 2 O 0,099 M FeSO 4 .7H 2 O 0,012 M
H 3 BO 4 0,149 M C 6 H 8 O 3 0,002 M Pembentuk Cu CuSO 4 .5H 2 O 0,065 M C 6 H 12 O 6 0,002 M
Gambar 1: Skema elektro-deposisi lapisan (a) Ni 80 Fe 20 dan (b) Cu pada multi lapisan [Ni 80 Fe 20 /Cu] N .
dengan modifikasi ketebalan lapisan konduktif pada konfig- urasi multi-lapisan [Ni 80 Fe 20 (800 nm)/Cu (y)] 3 dengan y = 200, 250, 300, dan 350 nm. Kedua, sampel sensor dimod- ifikasi N kali jumlah perulangan lapisan pada sistem multi- lapisan/multilayer [Ni 80 Fe 20 (800 nm)/Cu (300 nm)] N den- gan N = 1, 3, dan 5. Serta modifikasi bentuk geometri sampel, yaitu sampel dibuat kumparan seperti pada Gambar 2.
Sampel-sampel multi-lapisan tersebut dikarakterisasi nis- bah magneto-impedansi (MI) dan dihitung sensitifitasnya den- gan skematik pengukuran yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Nilai impedansi total pada pengukuran diatas adalah sum- bangan nilai resistansi (R) dan reaktansi (X) dari masing- masing sampel Z = √ R 2 + X 2 . Untuk setiap perubahan medan luar (H), masing-masing komponen dihitung dan dihi-
Gambar 2: Skematik sensor MI bentuk kumparan .
Gambar 3: Skema pengukuran magneto-impedansi.
Gambar 4: Grafik impedansi listrik total Z sebagai fungsi medan magnet H atau dikenal sebagai kurva magneto-impedansi (MI) untuk multilapisan [Ni 80 Fe 20 (800nm)/Cu (300nm)] 3 pada frekuensi pen- gukuran 100 kHz dan grafik nisbah/rasio MI sebagai fungsi frekuensi (inset).
tung nilai impedansi total pada medan magnet tertentu. Besar nilai nisbah MI dapat diekspresikan dengan persamaan,
∆ Z Z (%) = Z ( H ) − Z ( H ) max Z ( H ) max × 100% (1)
dengan Z(H) merupakan impedansi yang terukur ketika diberikan medan magnet luar H, sedangkan Z(Hmax) meru- pakan impedansi yang terukur ketika nilai medan magnet yang diberikan maksimum [6]. Sedangkan untuk perhitungan sensitifitas sensor MI digunakan hubungan berikut,
η = 2 ∆ Z Z max ∆ H (2)
dengan ∆ H adalah lebar penuh pada setengah maksimum kurva MI [7].
TABEL II: Sensitifitas Sensor MI pada frekuensi 100 kHz. Parameter Konfigurasi Nisbah MI (%) Sensitifitas (%/mT) Ketebalan Lapisan [Ni 80 Fe 20 (800 nm)/ Cu (y)] Konduktif (y) y = 200 nm 118,26 53,75 y = 250 nm 103,33 40,52 y = 300 nm 64,95 14,93 y = 350 nm 48,44 7,12 Jumlah Perulangan [Ni 80 Fe 20 (800 nm)/ Cu (300 nm)] N Lapisan (N) N = 1 97 4,20 N = 3 54 9,70 N = 5 22 26,63 Bentuk Geometri [Ni 80 Fe 20 (800 nm)/ Cu (300 nm)] 3 Sampel Linier ` = 3 cm 54,36 9,05 Kumparan D = 0,3 cm 70,54 12,82

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 4 menunjukkan tipikal grafik impedansi Z seba- gai fungsi medan magnet atau yang dikenal sebagai fenom- ena magnetoimpedansi pada sampel multi-lapisan [Ni 80 Fe 20 (800 nm)/Cu (300 nm)] 3 dengan frekuensi pengukuran 100 kHz. Grafik tersebut teramati secara jelas karakterisasi pe- rubahan kurva impedansi saat diberikan medan magnet luar H. Saat H= 0, nilai impedansi terukur maksimum Zmaks dan kemudian berangsur-angsur turun dengan kenaikan H hingga mencapai hampir jenuh pada nilai Z = 0,12 Ω setelah H ± 30 mT. Tipikal kurva semacam ini teramati juga untuk frekuensi lainnya, namun dengan nilai puncak Z maks yang berbeda.
Nilai nisbah/rasio MI dihitung dengan Pers.(1) menggu- nakan data perubahan nilai impedansi akibat medan magnet yang telah diperoleh. Tipikal kurva rasio MI semacam ini juga teramati untuk frekuensi lainnya, namun dengan nilai puncak yang berbeda. Dengan menganalisa puncak-puncak kurva rasio MI tiap frekuensi, didapat bahwa nilai rasio MI meningkat seiring dengan kenaikan frekuensi. Peningkatan tersebut cenderung konstan setelah frekuensi 40 kHz. Hasil ini mengindikasi bahwa sumbangan dominan berada pada pe- rubahan komponen reaktansi akibat medan pengimbas luar [8]. Hasil ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan meninjau sebagai sistem sederhana, ketika H ex meningkat sepanjang arah longitudinal, magnetisasi dalam setiap domain berputar ke arah sumbu ini dan meningkatkan nilai impedansi Z. Permeabilitas maksimum tercapai ketika medan magnet eksternal statis dapat menyeimbangkan medan transversal anisotropi H k , yaitu keadaan impedansi memiliki nilai maksi- mum. Peningkatan lebih lanjut dari Hex mengarah ke situasi dengan rotasi magnetisasi melingkar (circular magnetization). Oleh karena itu permeabilitas circular permeability µ ϕ berku- rang, mencapai nilai konstan dan sangat rendah. Impedansi Z mengikuti perilaku yang sama. Untuk frekuensi yang relatif rendah, ketergantungan bidang impedansi tersebut diberikan untuk komponen induktif, yang hanya sebanding dengan cir- cular permeability [9].
Dari data rasio MI yang telah diperoleh dan dengan analisis
sensitifitas sensor dengan Pers.(2), key performance sensor MI dengan berbagai modifikasi pada frekuensi pengukuran 100 kHz dapat dilihat pada Tabel II. Teramati dengan jelas bahwa kenaikan nisbah MI selaras dengan kenaikan sensitifitas sen- sor.
Dari hasil penelitian, setiap variasi pada masing-masing konfigurasi sampel yang telah dilakukan memiliki tingkat sen- sitifitas yang berbeda. Pada modifikasi ketebalan lapisan kon- duktif didapat sensitifitas sensor MI tertinggi 53,75%/mT di ketebalan 200 nm, yaitu di ketebalan paling tipis konduk- tif. Modifikasi ini menghasilkan sensitifitas sensor MI se- makin menurun seiring dengan penambahan ketebalan ko- duktif. Efek ini dapat dijelaskan dengan teori MI yang ter- jadi pada sistem multilapisan yang terealisasi pada konduktur kawat silinder. Efek ini dikarenakan adanya perbedaan resis- tansi antara lapisan magnetik dan non-magnetik. Ketika ni- lai ketebalan magnetik meningkat maka resistansi dari lapisan ini mengalami penurunan. Ketika lapisan magnetik ini terus diperbesar maka resistansi dari lapisan magnetik ini akan mendekati nilai resistansi dari lapisan non-magnetik.
Sedangkan pada modifikasi perulangan lapisan, sensitifitas sensor MI tertinggi 26,63%/mT pada N = 5, yaitu pada jum- lah perulangan lapisan terbanyak. Kenaikan jumlah perulan- gan lapisan akan meningkatkan komponen riil dan imajiner impedansi sampel. Ketika jumlah perulangan lapisan dimodi- fikasi, nilai reaktansi yaitu bagian imajiner pada impedansi to- tal sampel mengalami perubahan lebih drastik dibandingkan komponen riil. Akibatnya, nilai terukur nisbah MI ataupun sensitifitas sensor MI untuk sampel dengan N = 5 terbesar dibandingkan sampel lainnya.
Ekspresi lain sensitifitas sensor MI dengan modifikasi ben- tuk geometri sampel, yaitu membandingkan sampel dengan bentuk kawat linear dengan bentuk kawat solenoid. Peruba- han bentuk dari kawat menjadi solenoid juga meningkatkan sensitifitas sensor. Pada solenoid didapatkan sensitifitas sensor hingga mencapai 12,82%/mT. Pada modifikasi ini mengenai peningkatan induktansi eksternal terhadap struk- tur geometri sampel. Adanya peningkatan tersebut dikaitkan dengan interaksi magnetik komplek (fluk magnetik) dan
mekanisme magnetisasi. Fluk magnetik tersebut dalam masing-masing arah garis lurus longitudinal dan ternsversal akan menghubungkan antara satu sama lainnya dengan saling menginduksi (self-induction).

## IV. SIMPULAN
Performa sensor magnetik berbasis magneto-impedansi multilapisan [Ni 80 Fe 20 /Cu] N pada kawat Cu telah diuji
melalui nisbah magneto impedansi dan sensitifitas. Sensor magnet berupa multilapisan hasil elektrodeposisi menggu- nakan elektrode Pt (platina). Sensor divariasi berdasarkan ketebalan lapisan konduktor dan jumlah perulangan pada sis- tem multilayer serta variasi bentuk geometri sensor. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sensitifitas sensor mag- net tertinggi diperoleh sebesar 53,75%/mT untuk sampel [Ni 80 Fe 20 (800 nm)/Cu (200 nm)] 3 .
[1] P. Ripka, Magneti Sensors and Magnetometers (Artech House, Inc. London, 2001).
[2] T. Uchiyama, et al., IEEE Transactions on Magnetics, 48, 3833- 3839 (2012).
[3] J. Devkota, et al., Journal of Applied Physics, 49, 4060-4063 (2013).
[4] T.E. Wang, et al., Biosensors and Bioelectronics, 58, 338-344 (2014).
[5] M. Amiruddin, Utari, and B. Purnama, Jurnal Fisika dan Ap-
likasinya, 10(2), 95-98 (2014).
[6] M. Knobel, M. Vazquez, and L. Kraus, Handbook of magnetic materials (Elsevier Science B.V 15, 1-69, 2003).
[7] L.H. Tuan, N.T. Huy, and P.T. Huy, Journal of Physics, 187(1), 1-5 (2009).
[8] A. Chaturvedi, et al., Science Jet, 3, 1-4 (2014).
[9] M. Knobel, and K.R. Pirota, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 242, 33-40 (2002).