## ANALISIS KARAKTERISTIK MATERIAL MENGGUNAKAN PARALEL PLATE SAMPLE HOLDER PADA BROADBAND DIELEKTRIK SPEKTROMETER

## Oleh Era Madona
Staf Pengajar Teknik Elektro Politeknik Negeri  Padang

## ABSTRACT
Dielectric spektrometer  is used  to  measure  complex dielectric  function of  material which depends on the frequency. The measured in domain frequency learn about movement of  dipole’s  molecule  and  electric  conductions in  capasitor  charging  process. The most familiar measuring method of frequency area is parallel plat capasitor and four electrode system (V. Raicu et al, 1994). In this method, the measuring material is placed betwen two electroda in parallel place. This configuration produce a capasitor system which is possible to measure the complex impedance of the capasitor sample.
In this research, measuring and analyzing the material characterization are done in high frequence to design circuit and development of many material. Based on this reason, this reseach uses dielectric spectrometer system with HP Impedance Analyzer 4191ª RF and frequency  1-1000  MHz. Spectrometer  can  be  used on complex  permittivity to  measure the compact material. The measuring result can be implemented in high frequency range using phenomenological relaxation model. However, the accuracy of such predictions would need careful further study.
Keyword : Dielectric spektrometer, parallel plate capasitor, complex permittivity

## PENDAHULUIAN
Dielektrik  adalah  material  yang mempunyai tahanan yang besar terhadap aliran  listrik.  Bahan  ini  banyak digunakan  dalam  dunia  industri  seperti pada  pembuatan  peralatan  elektronika, switch  optoelektronik,  industri  PCB, aplikasi  mikrowave  untuk  radar,  baterai cell  dan  lain-lain.  Dibidang  biomedik, bahan dielektrik banyak digunakan untuk menentukan  karakteristik  organ  dan jaringan,  kadar  air  dalam  badan  dan medical  imaging dengan  menggunakan gelombang  mikro.  Aplikasi  lain  dari bahan  dieletrik  juga  dapat  dilihat  pada bidang pertanian,  yaitu untuk penentuan kualitas produksi pertanian seperti kadar
kelembaban  pada  gabah  dan  minyak sayur.
Untuk menentukan data dielektrik  yang  akurat  secara  efisien diperlukan  peralatan  khusus  yang dikenal  dengan dielectric  spektrometer . Alat  ini  dapat  mengukur dielectric properties dari  suatu  material  dengan lebar frekuensi tertentu. Salah satu lebar frekuensi  yang  dapat  digunakan  adalah dari 10 -6 Hz sampai 10 12 Hz. Pemberian frekuensi ini akan dapat menggambarkan struktur  dan  sifat-sifat  molekul  dari material  yang  diukur  seperti  pergerakan molekul.
Dielectric
spektrometer
digunakan  untuk  mengukur complex dielectric  function dari  sebuah  material dan ketergantungannya terhadap frekuensi.  Pengukuran  yang  dilakukan pada  domain  frekuensi  mempelajari pergerakan dipole molekul dan konduksi elektrik  pada  proses  pengisian  sebuah kapasitor. Metoda  pengukuran  pada daerah frekuensi yang banyak digunakan adalah paralel plate capasitor dan sistem empat  elektroda  (V.  Raicu  et  al,  1994). Pada  metoda  ini  material  yang  akan diukur diletakkan diantara dua elektroda yang diletakkan secara  paralel sehingga membentuk kapasitor dalam  sebuah sistem  sehingga  dapat  dilakukan pengukuran complex  impedance dari sampel  kapasitor  yang  digunakan.
Sangat banyak perusahaan yang bergerak dibidang instrumentasi  mengaplikasikan metoda ini pada sistem  mereka, sebagai contoh Solarton  1260  gain  phases impedance dan Novocontrol  HP4991, HP4291,  HP4191  RF  Impedance Analyzer.
Disamping  metoda  konfigurasi sample  holder dengan  menggunakan parallel  plate  capasitor, metoda  lain yang dapat digunakan adalah konfigurasi coaxial. Pada metoda  ini,  material sampel dihubungkan pada kabel coaxial yang  dihubungkan  pada  sisi  luar  dan terminal  intinya  untuk  dilakukan pengukuran.  Hasil  pengukuran  yang dilakukan  akan  membantu  dalam pengembangan  berbagai  macam  bahan yang digunakan dalam bahan transmisi.
Pada  penelitian  ini,  akan dilakukan pengukuran dan analisis sifat- sifat  bahan  dielektrik  pada  frekuensi tinggi  yang  sangat  penting  dilakukan untuk  perancangan  rangkaian  dan pengembangan  berbagai  macam  bahan. Berdasarkan hal ini, penelitian dilakukan untuk  merancang  sebuah  sistem dielektrik  spektrometer  menggunakan HP  Impedance  Analyzer  4191ª  RF
dengan  frekuensi  1 – 1000  MHz. Spektrometer  dapat  digunakan  untuk pengukuran complex  permitivity pada bahan-bahan padat.

## Tujuan Penelitian
Pada  penelitian  ini  dilakukan penganalisaan  karakteristik material dielektrik  sample  pada  frekuensi  1 - 1000  MHz menggunakan  paralel  plate sample holder pada broadband dielektrik spektrometer (HP  Impedance  Analyzer 4191ª RF).

## Perumusan Masalah
Bagaimana menganalisa karakteristik  material dielektrik  sample pada  frekuensi  1 - 1000  MHz menggunakan  paralel  plate  sample holder  pada  broadband  dielektrik spektrometer (HP  Impedance  Analyzer 4191ª RF).

## Tinjauan Teoritik

## Bahan Dielektrik
Bahan  dielektrik  (k) ekivalen dengan  relative  permitivitas (ε r )  atau absolute permitivitas (ε) relatif terhadap permitivitas ruang  hampa  (ε 0 ).  Bagian riil  dari  permitivitas (ε r’ )  menunjukkan seberapa  banyak  energy  dari  medan listrik  eksternal  yang  dapat  disimpan dalam  material.  Sedangkan  bagian imajinir  dari  permitivitas (ε r” )  atau  loss factor  menunjukkan  tingkat  dissipasi atau  kerugian  material  terhadap  medan listrik eksternal.
Bagian  imajinir dari permitivitas mempunyai  nilai  yang  lebih  besar  dari nol  dan  biasanya  jauh  lebih  kecil dibandingkan  dengan  bagian  rill  dari permitivitas (ε r’ ). Loss factor berhubungan  dengan  pengaruh  dari dielektrik loss dan konduktivitas
Hubungan  antara  kapasitansi bahan dielektrik dan konstanta dielektrik dari  bahan  tersebut  dapat  dilihat  pada persamaan 1 sampai 3.
....... (1)
' 0 k C C  .......(2) 0 ' ' C C k r    .......(3)
Dimana : C = kapasitansi dengan dielektrik C 0 = kapasitansi tanpa dielektrik k’= ε’ r =  bagian  riil  dielektrik konstanta atau permitivitas A  =  luas  penampang  kapasitor plate t = jarak antara kapasitor plate

## Parallel Plate
Metode  parallel  plate  dapat dengan  mudah  digunakan  lebih  cocok untuk  bahan  sample  berbentuk  padat. Sample  holder  ini  terdiri  dari  elektroda bagian atas dan elektroda bagian bawah. Bahan sample diletakkan diantara kedua elektroda  ini  hingga  menyentuhnya. Karena  susunan  bahan  sample  yang seperti  ini,  maka  sample  dalam  bentuk cair dan semi padat tidak memungkinkan untuk digunakan pada metode ini.
Kedua  elektroda  pada  sample holder  ini  dihubungkan  pada sumber electromagnetic  dengan  tujuan  untuk memberikan medan listrik eksternal pada bahan  sample  seperti  tampak  pada gambar 1.
Gambar 1. Konfigurasi parallel plate sample holder
Posisi  kedua  elektroda  harus parallel satu  sama  lain  dengan  tujuan untuk  menghasilkan  medan  listrik  yang sesuai  pada  bahan  sample  sehingga diperoleh hasil yang akurat.
Konstanta dielektrik menggunakan  parallel  plate  dapat dihitung dengan menggunakan parameter  dimensi  dari  sample  holder dan  hasil  pengukuran  konduktansi  dan kapasitansi  dengan  persamaan  2. Dari persamaan  ini,  komponen  riil  dan imajiner dapat dipisahkan seperti tampak pada persamaan 4 dan 5.
0 . .   A t C   ……(4) 0 .   A t G   ........(5)
Dimana:
ε = konstanta dielectric (permitivitas) ε 0 = permitivitas ruang hampa yaitu 8.85 x 10 -12 ε r = konstanta relative dielectric (relative  permittivity)  dari  test material t = ketebalan of the testing material A = luas penampang  elektroda C = kapasitansi terukur G = konduktansi terukur
Parallel plate yang akan digunakan  pada  penelitian  ini  adalah
Agilent  16451B  Dielectric  test  fixture seperti  tampak  pada  gambar 2 and 3. Gambar  ini  memperlihatkan  diagram cross-section  dari  sample  holder  dan konfigurasi elektrodanya.

## Gambar 2. Cross-section dari Agilent
16451B dielectric test fixture
Gambar 3. Elektroda parallel plate untuk Agilent 16451B dielectric test fixture

## METODE PENELITIAN

## Survey teknik pengukuran dielektrik
Pengukuran  sifat-sifat  dielektrik pada bahan-bahan yang mempunyai sifat dielektrik  dapat  dilakukan  dengan berbagai teknik.
Salah satunya menggunakan  impedance  analyzer. Pengukuran  dielektrik  yang  akan dilakukan  menggunakan  HP  impedance Analyzer dan sample holder. Impedance Analyzer  digunakan  untuk  mengukur kapasitansi, kondukstansi dan admittansi dari  sample  bahan  dan  sample  holder digunakan  sebagai  tempat  untuk meletakkan  sample  bahan  selama dilakukan proses pengukuran.

## Perancangan Sistem Dielektrik spektrometer
Koneksi  yang  sederhana  dalam pengukuran  dengan  menggunakan  HP Impedance  Analyzer  dan  sample  holder disusun  berdasarkan  gambar  4.  Bahan sample  diletakkan  pada  sample  holder dan  dihubungkan  ke  HP  impedance analyzer

## Gambar 4. Konfigurasi dari impedance analyzer dan sample holder

## Penentuan dan pengujian konfigurasi pengukuran
Ada  banyak  konfigurasi  sample holder  yang  dapat  digunakan  untuk pengukuran  dielektrik.  Namun  pada penelitian  ini  akan  mengggunakan konfigurasi parallel plate sebagai sample holder untuk material padat.

## Pengumpulan dan pengolahan data
Pengukuran yang akan dilakukan pada  penelitian  adalah  berupa  data resistansi,  impedansi,  dan  kapasitansi. Pengukuran  ini  juga  untuk  menentukan complex  permittivity dari  sample  yang digunakan  bersesuaian  dengan  masing- masing sample holder.

## Pengukuran Permitivitas Dielektrik
Sample yang digunakan untuk pengukuran dengan menggunakan parallel plate adalah: 1. Sample 1 dan Sample 2 Lembaran tipis  yang terbuat dari epoxy-based  adhesive  (Araldite 2015) 2. Sample 3 Lembaran tipis  yang terbuat dari epoxy-based  adhesive  (Araldite 2011) 3. Sample 4 Kertas putih berbentuk bujursangkar  dengan  ukuran  3x3 cm Prosedur  pengukuran  menggunakan parallel plate 1. Menghidupkan Impedance Analyser HP4192A dan dibiarkan  lebih  kurang  45  menit untuk penstabilan hasil pengukuran. 2. Sample  holder  dielectric  test fixture Agilen16451B dihubungkan dengan HP4192A. 3. Sample 1 diletakkan diantara dua elektroda  yang  ada  pada  test fixture.
4. Pengukuran nilai kapasitansi dan konduktansi dengan paralel plate dilakukan  dengan  memberikan frekuensi  terendah  10  KHz hingga frekuensi 13 MHz.
5. Sample  berikutnya  diukur  nilai kapasitansi  dan  konduktansi dengan  mengikuti  langkah  1 sampai 4.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil
Seperti yang dijelaskan sebelumnya,  sample  material  yang digunakan  pada  paralel  plate  sample holder  adalah  lembaran  tipis  yang terbuat  dari  epoxy-based  adhesive (Araldite  2015)  untuk  sample  1  dan sample  2, -based  adhesive  (Araldite
2011)  untuk sample  3  dan  kertas  untuk sample 4.
Hasil  pengukuran  menggunakan parallel  plate  dikalkulasikan untuk menentukan komponen permitivitas dari material yang digunakan pada penelitian. Bagian real e’ dari permitivitas dihitung dengan  menggunakan  persamaan 4 dan persamaan 5 untuk  bagian  imajiner. Hasil  dari kalkulasi  kedua  komponen permitivitas ini  seperti  tampak  pada gambar 5 berikut ini.
e' 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 1 10 100 1000 10000 100000 Frequency (kHz) e' Sample 1 Sample2 Sample 3 Sample 4 (a) Grafik bagian real e’ dari permitivitas dan frekuensi e" 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 10 100 1000 10000 100000 Frequency (kHz) e" Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4
(b) Grafik bagian imajiner e” dari permitivitas dan frekuensi
Gambar 5. Grafik bagian real dan imajiner

## Pembahasan
Gambar  5  (a)  memperlihatkan  bagian real  dari  permitivitas untuk  sample  1 sampai  4.  Pada  frekuensi  rendah  nilai
permitivitas relatif  konstan,  namun begitu  frekuensi  yang  diberikan mendekati  8  MHz nilai permitivitas ini meningkat  tajam.  Jika  dilihat  pada grafik,  keempat  sample  pada  paralel plate  hampir  memiliki  sifat  yang  sama karena  keempat  sample  memiliki struktur  kimia  yang  hampir  sama.  Pada frekuensi yang  sangat  tinggi  nilai permitivitas diharapkan  mancapai  nilai yang  sama,  namun  hal  ini  sangat  tidak memungkinkan  mengingat  keterbatasan frekuensi  yang  dimiliki  oleh  alat  ukur yang digunakan.
Gambar  5  (b)  memperlihatkan  bagian imajiner  dari  permitivitas.  Dari  grafik dapat  dilihat  bahwa  sample  4 mempunyai  nilai  e”  sedikit  lebih  tinggi jika  dibandingkan  dengan  sample  1 sampai  3,  namun  keempat  grafik mengalami  puncak  dan  selanjutnya mengalami  penurunan  nilai  begitu mendekati frekuensi 10 MHz. Jadi dapat dikatakan  bahwa  bentuk  grafik  untuk keempat  sample  hampir  sama  karena semua sample memiliki karateristik yang mirip satu sama lainnya.

## KESIMPULAN
Sample  yang terbuat dari epoxy- based  adhesive  (untuk  sample  1-3)  dan kertas untuk sample 4  memiliki bagian real  permitivitas yang  relatif  konstan sampai frekuensi 8 MHz dan mengalami peningkatan  yang tajam untuk frekuensi yang  lebih  tinggi.  Sedangkan  untuk bagian imajiner, sample 4 memiliki nilai e”  yang  sedikit  lebih  tinggi  dengan bentuk  grafik  yang  mengalami  puncak dan  mengalami  penurunan  mendekati frekuensi 10 MHz.
Untuk  meningkatkan  range  frekuensi maka hasil  pengukuran  ini  dapat digunakan
pada phenomenological relaxation model. Namun, ketepatan dari
prediksi  menggunakan  pemodelan  ini masih memerlukan study lebih lanjut.

## DAFTAR PUSTAKA
Agilent – Basics  of  measuring  the dielectric  properties  of  material – Application Note
G.Bindu, A.lonappan,V. Thomas, C.K.Aanandan  and  K.T.Mathew, 2006 ” Dielectric  studies  of  corn syrup  for  application  in  microwave breast imaging ”, PIER 59, 175-186.
N.G.McCrum,  B.E.Read,  G.Williams,
1967 “ Anelastic and dielectric effects in  polymeric  solids ”,  London:
Willey.
A.  Schönhals,  “ Dielectric  Spectroscopy on  the  dynamics  of  amorphous polymeric  systems ”,  Novocontrol,
Application Note Dielectric 1 J.Mijovic, B.D.Fitz, “ Dielectric spectroscopy  of  reactive  polymers ”,
Novocontrol,  Application  Note Dielectrics 2
Raicu.V, 1995 “ A simple theoretical and practical  approach  to  measuring dielectric  properties  with  an  open- ended  coaxial  probe ”,  United Kingdom,  Measurement science technology, 410-414. Jaspard.F  and  Nadi.M, 2002 “Dieletric properties  of  blood:  an  investigation of temperature dependence”, Physiological Measurement 23, 547- 554. Buff.P.Mark, Steer.Michael B, Lazzi.Gianluca, 2006 “Cole-cole dispersion  models for  aqueous gelatine-syrup dielectric composites”,  IEEE  Transactions  on
geoscience and remote sensing, Vol. 44, No.2, 351- 353. Shang,  Jiyun,  “ Design  and  development of  a  LF  dielectric  spectrometer ”,
University of Nottingham, Third year thesis, 2005 Patel,  Sunit, 2003 “ Simulation  of  the compression  wave  phase  velocity  of ultrasonic pulses transmitted through thermoset material during manufacture” ,
University of Nottingham,  Third  year  project thesis.

## Halaman ini sengaja dikosongkan