Sensor Gas Semikonduktor dan Cara Kerjanya ?

Artikel dalam versi PDF tersedia pada link berikut : SensorGasSemikonduktor.pdf

1. Sensor Gas Semikonduktor

Sensor secara umum didefenisikan sebagai alat yang mampu menangkap fenomena kimia atau fisika, kemudian mengubahnya menjadi sinyal listrik baik arus listrik ataupun tegangan. Fenomena kimia yang dimaksud dapat berupa konsentrasi dari bahan kimia baik cairan maupun gas. Dari defenisi ini maka sensor merupakan alat elektronik yang begitu banyak dipakai dalam kehidupan manusia saat ini. Sedangkan sensor semikondutor adalah sejumlah komponen elektronik yang menggunakaan sifat-sifat materi semikonduktor, diantaranya Silikon, Germanium, dan Gallium arsenide. Elemen sensor yang digunakan pada sensor gas semikonduktor adalah material Timah oksida (SnO₂). Sensor gas memiliki bobot yang ringan, kecil, sudah tersedia luas dan memiliki sensitifitas tinggi. Mekanisme utama untuk reaksi gas dengan metal oksida terjadi pada temperatur tinggi yaitu 200°C – 600ºC (Oktorizal, 2010).

Gambar 1 Komponen penyusun sensor gas semikonduktor (Oktorizal, 2010)
Artikel dalam versi PDF tersedia pada link berikut : SensorGasSemikonduktor.pdf

2. Cara Kerja Sensor Gas

Bila suatu kristal oksida logam seperti SnO₂ dipanaskan pada suhu tinggi tertentu di udara, oksigen akan teradsorpsi pada permukaan kristal dengan muatan negatif. Elektron-elektron donor pada permukaan kristal ditransfer ke oksigen terabsorbsi, sehingga menghasilkan suatu lapisan ruang bermuatan positif. Akibatnya potensial permukaan terbentuk, yang akan menghambat aliran elektron. Di dalam sensor, arus listrik mengalir melalui bagian-bagian penghubung (batas butir) kristal-kristal mikro SnO₂. Pada batas-batas antar butir, oksigen yang terabsorbsi membentuk penghalang potensial yang menghambat muatan bebas bergerak. Tahanan listrik sensor disebabkan oleh penghalang potensial ini. Gambar 2. menunjukkan model penghalang potensial antar butir kristal mikro SnO₂ pada 

keadaan tanpa adanya gas yang dideteksi.  

 

 Gambar 3. Model penghalang antar butir pada keadaan tanpa gas yang dideteksi

(Oktorizal, 2010)

Adanya gas pereduksi di lingkungan mengakibatkan kerapatan oksigen teradsorpsi bermuatan negatif pada permukaan semikonduktor sensor menjadi berkurang, sehingga ketinggian penghalang pada batas antar butir berkurang. Ketinggian penghalang yang berkurang menyebabkan berkurangnya tahanan sensor butir dalam lingkungan gas.

Gambar 4. Model penghalang potensial antar butir dalam lingkungan adanya gas (Oktorizal, 2010)

Skema rangkaian sensor gas dapat dijelaskan menggunakan prinsip rangkaian pembagi tegangan seperti pada Gambar 2.6. Hambatan total sensor (R_S) dan hambatan beban (R_L) tersusun secara seri. Apabila rangkaian diberi tegangan V_C maka ruang pemanas pada sensor akan aktif dan bereaksi dengan gas target sehingga akan mengakibatkan nilai R_H (hambatan pemanas) berkurang. Berkurangnya nilai R_H akan mengakibatkan nilai R_S juga berkurang secara keseluruhan, yang selanjutnya akan mengakibatkan nilai V_L bertambah.

Gambar 4. Rangkaian dasar sensor gas (Rusnur, 2012).

Selanjutnya nilai keluaran V_L akan dibaca sebagai nilai tegangan keluaran sensor yang bergantung pada besarnya perubahan pada R_S dan dapat dihitung menggunakan persamaan (Rusnur, 2012) :  

                                         

Dengan, V_L   = Teganagan beban (Volt)

R_L  = Hambatan beban (Ohm)

R_S  = Hambatan total sensor (Ohm)

V_C = Tegangan sumber (Volt)

Artikel dalam versi PDF tersedia pada link berikut : SensorGasSemikonduktor.pdf