Karakteristik Sensor

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. UDARA BERSIH

Udara yang bersih dari zat pencemar mempunyai arti yang sangat penting di

dalam kehidupan manusia, hewan, tumbuhan dan keberadaan benda lainnya.

Sehingga udara merupakan sumber daya alam yang harus dilindungi untuk

kehidupan manusia dan makluk hidup lainnya. Hal ini bahwa pembuangan zat ke

udara harus dilakukan secara bijaksana dengan memperhitungkan kepentingan

generasi sekarang dan yang akan datang. Untuk mendapatkan udara sesuai dengan

tingkat kualitas yang diinginkan, maka pengendalian udara menjadi sangat penting

untuk dilakukan. Kandungan karbon dioksida di udara segar bervariasi antara

0,03% (300ppm) sampai dengan 0,06% (600 ppm) bergantung pada lokasi.

2.2. GAS-GAS RUMAH KACA

Adanya zat pencemar yang dibuang ke udara akibat aktivitas manusia,

industri, kenderaan bermotor telah mencemari udara. Dari sekian banyak jenis gas

yang terbuang ke udara, gas-gas rumah kaca (GRK) seperti CO2, CFC, CH4, O3,

NO2, dan N2O , telah diketahui sebagai penyebab naiknya suhu bumi atau yang

lebih tren pemanasan bumi global. Dari jenis gas rumah kaca, maka gas CO2

merupakan gas yang terbanyak memberikan konstribusi dalam pemanasan global.

4Universitas Sumatera Utara

5Tabel 2.1. Gas rumah kaca dan kontribusinya terhadap Pemanasan Global

No Gas Rumah Kaca Rumus Kimia Kontribusi (%)

1 Karbon dioksida CO2 50

2 Metana CH4 13

3 Klorofluro karbon R-12 CFC R-12 12

4 Ozon O3 7

5 Kloro fluro karbon R-11 CFC R-11 5

6 Nitro oksida N2O 5

Sumber : http//www.student unimess/a.andano/global warming.

2.3. MEKANISME TERJADINNYA EFEK RUMAH KACA

Sebagian panas sinar matahari yang diterima permukaan bumi dipantulkan kembali

sebagai radiasi sinar infra merah ke angkasa. Karena adanya gas-gas rumah kaca

dilapisan atmosfer bawah maka sinar matahari yang dipantulkan akan tertahan.

Akibatnya, panas yang timbul di dalam lapisan atmosfer bawah, dekat dengan

permukaan bumi, akan terperangkap. Keseimbangan energi antara energi yang

masuk dan energi yang keluar terganggu. Akibatnya meningkatkan temperatur

rata-rata di permukaan bumi dan menimbulkan pemanasan Global (fenomena

rumah kaca). Fenomena rumah kaca sudah berlangsung sejak lama di lapisan

troposfer.

Pengaruh Gas-gas Rumah Kaca terhadap terjadinya pemanasan Global.

tergantung pada besarnya kadar gas rumah kaca di atmosfer, waktu tinggal di

atmosfer dan kemampuan penyerapan energi.

Universitas Sumatera Utara

Tabel. 2.2. Lama waktu tinggal di atmosfer dan nilai Green House Warning Potensial ( GWP ) gas rumah kaca.

No Gas Rumah Kaca Lama Waktu tinggal (tahun)

GWP(Relative)

1 Karbon dioksida 50 200 1

2 Metana 10 21

3 Klorofluro karbon R-12 130 15.800

4 Ozon 0,1 2000

5 Kloro fluro karbon R-11 65 12.400

6 Nitro oksida 150 206

6

Sumber : http//www.student unimess/a.andano/global warming.

2.4. KARBON DIOKSIDA DAN KARAKTERISTIKNYA

Karbon dioksida (rumus kimia: CO2) atau zat asam arang merupakan

senyawa kimia yang terdiri dari dua atom oksigen yang terikat secara kovalen

dengan sebuah atom karbon. Struktur dan gambar molekul sebagai berikut :

Pada keadaan STP, rapatan karbon dioksida berkisar sekitar 1,98 kg/m, kira

kira 1,5 kali lebih berat dari udara. Molekul karbon dioksida (O=C=O)

mengandung dua ikatan rangkap yang berbentuk linear. Senyawa ini tidak begitu

reaktif dan tidak mudah terbakar, namun bisa membantu pembakaran logam seperti

magnesium, karbon dioksida adalah gas yang tidak berwarna , tidak berbau, titik

leleh 57 C (216 K) (di bawah tekanan), Titik didih 78 C (195 K) (menyublim), kelarutan dalam air 1,45 g/L, Keasaman (pKa) 6,35 dan 10,33 ,

Viskositas 0,07 cP pada 78 C, dan Momen dipol nol.


7

2.5. KRISTAL KARBON DIOKSIDA (DRY ES)

Karbon dioksida tidak mempunyai bentuk cair pada tekanan di bawah 5,1

atm namun langsung menjadi padat pada temperatur di bawah -78 C. Dalam

bentuk padat, karbon dioksida umumnya disebut sebagai es kering.

a b

Gambar 2.1. (a) Pelet kecil dari es kering yang menyublim di udara

(b) Struktur kristal es kering

2.6. SUMBER KARBON DIOKSIDA

Karbon dioksida secara garis besar dihasilkan dari enam proses:

1. Sebagai hasil samping dari pengilangan ammonia dan hidrogen, di mana

metana dikonversikan menjadi CO2.

2. Dari pembakaran kayu dan bahan bakar fosil;

3. Sebagai hasil samping dari fermentasi gula pada proses peragian bir, wiski, dan

minuman beralkohol lainnya;

4. Dari proses penguraian termal batu kapur, CaCO3;

5. Sebagai produk samping dari pembuatan natrium fosfat;

6. Secara langsung di ambil dari mata air yang karbon dioksidanya dihasilkan dari

pengasaman air pada batu kapur atau dolomit.


8

2.7. PERANAN GAS CO2 PADA BIOLOGIS Tumbuh-tumbuhan mengurangi kadar karbon dioksida di atomosfer dengan

melakukan fotosintesis, disebut juga sebagai asimilasi karbon, yang menggunakan

energi cahaya untuk memproduksi materi organik dengan mengkombinasi karbon

dioksida dengan air dengan reaksi berikut :

CO2 (g) + H2O (g) C6H12O6 + O2 (g)

UV

Klorofil

2.8. TOKSISITAS GAS CO2 Menurut Otoritas Keselamatan Maritim Australia, "Paparan berkepanjangan

terhadap konsentrasi karbon dioksida dapat menyebabkan asidosis dan efek-efek

merugikan pada metabolisme kalsium fosforus yang menyebabkan peningkatan

endapan kalsium pada jaringan lunak. Karbon dioksida beracun kepada jantung dan

menyebabkan menurunnya gaya kontraktil. Pada konsentrasi tiga persen

berdasarkan volume di udara, ia bersifat narkotik ringan dan menyebabkan

peningkatan tekanan darah dan denyut nadi, dan menyebabkan penurunan daya

dengar. Pada konsentrasi sekitar lima persen berdasarkan volume, ia menyebabkan

stimulasi pusat pernapasan, pusing-pusing, kebingungan, dan kesulitan pernapasan

yang diikuti sakit kepala dan sesak napas. Pada konsentrasi delapan persen, ia

menyebabkan sakit kepala, keringatan, penglihatan buram, tremor, dan kehilangan

kesadaran setelah paparan selama lima sampai sepuluh menit.

2.9. GAS CO2 DAN FISIOLGI MANUSIA

Gas CO2 diangkut di darah dengan tiga cara yang berbeda:

Kebanyakan (sekitar 70% 80%) dikonversikan menjadi ion bikarbonat HCO3 oleh enzim karbonat anhidrase di sel-sel darah merah, dengan reaksi :

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3. 5% 10% larut di plasma 5% 10% diikat oleh hemoglobin sebagai senyawa karbamino


9

2.10. SENSOR GAS SEMIKONDUKTOR

Sensor gas semikondutor adalah sejumlah komponen elektronik yang

menggunakaan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon, Germanium dan

Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi elektronik

dalam bentuk padat (solid state), bukannya bentuk hampa (vacuum state) atau

bentuk gas (gaseous state). Bahan detektor yang digunakan adalah material Tin

oksida (SnO2). Sensor ini tidak mahal, kecil, sudah tersedia luas dan memiliki

sensitifitas tinggi.

Mekanisme utama untuk reaksi gas dengan metal oksida terjadi pada

temperatur tinggi yaitu 2000C 6000C. Mikrosensor kimia yaitu sensor yang dibuat

dalam bentuk miniatur untuk penggantian alat penginderaan yang mahal,

menunjukkan penciptan teknologi analitik yang memiliki kemampuan dan

mengkuantifiaksi zat kimia dalam waktu real termasuk penyediaan analisis online

dari perubahan tingkat atau kadar zat.

2.10.1 Prinsip Kerja Sensor Gas Semikonduktor

Sensor Gas Semikonduktor terdiri dari elemen sensor yang dilengkapi

bahan pemanas, bahan elemen sensor yang terbuat dari oksida metal (seperti :

SnO2, WO3, ZnO,RuO2, dll, sesuai gas yang disensor) dan bahan pemanas yang

berfungsi untuk memanaskan elemen. Struktur sensor ini dapat dilihat pada gambar

berikut :

Gambar 2.2. Struktur sensor gas semikonduktor


10

Prinsip Kerja sensor semikonduktor, ketika bahan detektor seperti kristal

SnO2 dipanaskan pada temperatur tertentu, oksigen akan diserap pada permukaan

kristal dan oksigen di udara akan terionisasi dan terikat pada SnO2 dalam bentuk

ion-ion negatif. Kemudian elektron donor pada permukaan kristal SnO2 akan

ditransfer ke oksigen penyerap, sehingga dihasilkan listrik . Didalam sensor, arus

listrik mengalir melewati daerah sambungan (grain boundary) dari kristal SnO2.

Pada daerah sambungan penyerapan oksigen mencegah muatan untuk bergerak

bebas. Jika konsentrasi gas menurun, proses deoksidasi akan terjadi, kerapatan

permukaan dan muatan negatif oksigen akan berkurang dan mengakibatkan

menurunnya ketinggian penghalang dari daerah sambungan, misalnya terdapat

adanya gas CO2 yang terdeteksi. Ilustrasi gambar ketika terjadi penyerapan gas O2

oleh sensor, dapat dilihat pada gambar berikut ini :

Gambar 2.3. Pembentukan tegangan barrier saat tanpa gas pereduksi

Persamaan reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut:

O2 + ( SnO2 x) * O-ad (SnO2x) CO2 + O-ad (SnO2x) CO2O + ( SnO2x)* * = elektron bebas

Dengan menurunnya penghalang maka resistansi sensor juga akan turut menurun.

Skema reaksi antara gas CO2 dan oksigen penyerapan pada permukaan SnO2

sebagai berikut :


11

Gambar 2.4 Penurunan tegangan barrier saat adanya gas pereduksi

Elektron Daerah Sambungan

eVs didalam gas pereduksi

Gas Pereduksi CO2

Untuk mengukur karakteristik sensitivitas dari gas sensing, semua data diuji pada

kondisi standar. Hubungan antara tahanan dalam sensor dengan konsentrasi gas

pereduksi dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

Rs = A C - dengan = Rs/Ro

Rs = Resistansi Keluaran sensor dari berbagai konsentrasi gas.

R0 = Resistansi sensor dalam udara bersih

A = Konstanta

C = Konsentrasi gas pereduksi

= Kemiringan dari kurva Rs (rasio resistansi sensor (Rs/R0) 2.10.2 Sensor Kimia

Sensor kimia adalah alat yang mampu menangkap fenomena berupa zat

kimia (baik gas maupun cairan) untuk kemudian diubah menjadi sinyal elektrik.

Sensor kimia terutama digunakan untuk mengukur konsentrasi senyawa khusus

dalam lingkungan gas dan cair, dimana sensor secara khusus merubah informasi

kimia ke dalam sinyal listrik. Ada peningkatan permintaan untuk melakukan


12

pengukuran analitik terhadap zat tertentu dengan cepat, halus dan dalam beberapa

kasus dilakukan secara terus menerus. Karena sifat-sifat fisika dari gas dan cairan

itu berhubungan erat dengan konsentrasi senyawa kimia, sensor untuk penentuan

sifat fisika, seperti viskositas dan kerapatan terus mengalami peningkatan.

Sensor kimia diajukan untuk berbagai kondisi lingkungan terutama dalam

pengolahan makanan atau sistem pembuangan dimana konsentrasi berbagai

senyawa dinyatakan pada sensor. Masalah penting dalam sensor kimia adalah

mendapatkan beberapa tingkat selektivitas yang ideal dan tertinggi. Rata-rata

selektivitas ideal, respon terhadap senyawa spesifik dan juga respon nol terhadap

senyawa lain.

2.10.2.1 Perkembangan Sensor Kimia

Sensor Kimia eletrolit padat yang bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia,

merupakan prinsip sensor yang paling tua yang telah berkembang. Pengembangan

yang cukup pesat tentang membran sensor dari elektrolit padat telah terjadi sejak

tahun 1930 an. Sensor elektrolit padat adalah sensor yang menggunakan

lempengan sel elektrolit yang disekat dengan dua elektroda dan biasanya

ditambahkan dengan pengatur temperatur. Sensor komersial jenis ini yang sangat

populer adalah sensor oksigen yang menggunakan lempengan Yttria-doped zirconia

dan biasanya digunakan pada temperatur tinggi untuk mengontrol aliran zat buang

pada suatu mesin. Pengembangan berikutnya juga terus terjadi pada sensor jenis ini

yang pada decade belakangan dikenal dengan sebuat NASICON sensor. Dengan

usianya yang relatif lebih tua dibandingkan dengam moteode sensor lainnya,

elektrolit padat merupakan sensor kimia yang paling banyak diproduksi dalam

dunia sensor komersial dibandingkan dengan jenis sensor lainnya.

1. Sensor Kimia Optik, Metode sensor ini adalah dengan berdasarkan pada

teknologi optik dimana penyerapan suatu gas atau cairan kimia tertentu pada suatu

bahan akan mengakibatkan perubahan pada fenomena optik seperti daya pantul

ataupun daya absorpsi suatu cahaya. Meskipun metode ini juga menjanjikan sistem


13

sensor yang akurat, pengembangan yang relatif lebih sulit disamping instrumen

yang lebih mahal membuat sensor optik pada kenyataannya tidak terlalu banyak

dilirik oleh para peneliti.

2. Sensor kimia model sensitif berat. Sensor tipe ini bekerja dengan

berdasarkan bahan sensor yang mampu menghasilkan gelombang akustik sehingga

saat suatu zat kimia melewatinya bahan ini mampu mengkonfersi informasi kimia

dari zat tersebut menjadi informasi fisik yaitu dalam bentuk berat (meskipun sangat

kecil perubahannya).

3. Sensor Kimia Semikonduktor adalah sensor yang berdasarkan metal oksida.

Teknologi yang memanfaatkan keunggulan sifat semikonduktor suatu bahan

merupakan teknologi yang cukup menjanjikan bagi masa depan mengingat

harganya yang murah, bentuknya yang lebih kecil, serta lebih tahan lama. Tidak

mengherankan jika dunia sensor masa depan diprekdisikan akan didominasi oleh

jenis sensor tipe metal oksida ini. Penelitian tentang pengembangan sensor yang

ada saat ini pun banyak dialakukan seputar semikonduktor sensor ini. Teknologi

semikonduktor memiliki peran yang siginifikan dalam teknologi sensor mengingat

kemampuan konduktifitas dari semikonduktor yang dapat berubah ubah. Sensor

jenis semikonduktor ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1953 setelah

seorang peneliti Amerika yaitu John Bardeen dan Walter H Brattain menemukan

perubahan konduktifitas suatu bahan semikonduktor setelah terjadi penyerapan gas

kimia pada bahan semikonduktor tersebut.

Pada perkembangan berikutnya dari sensor semikonduktor ini, sentuhan teknologi

nano yang pada kenyataannya mampu menghasilkan bahan semikonduktor yang

lebih baik membuat daya tarik lebih besar bagi para peneliti sensor semikonduktor.

2.10.2.2 Sifat Sensor Kimia

Empat sifat sensor kimia yang harus dipenuhi agar berkualitas baik yaitu :


14

1. Sensitifitas, yaitu ukuran seberapa sensitif sensor mengenali zat yang

dideteksinya. Sensor yang baik akan mampu mendeteksi zat meskipun jumlah zat

tersebut sangat sedikit dibandingkan gas disekelilingnya. Sebagai gambaran sebuah

riset dengan menggunakan material nano porous terhadap gas O2 sudah mampu

mendeteksi gas NO2 hanya dengan jumlah 300 ppb (part per billion), artinya

sejumlah 300 partikel NO2 yang ada dalam 1 milyar partikel udara sudah bisa

membuat sensor ini mendeteksi keberadaannya .

2. Selektifitas, yaitu sejauh mana sensor memiliki kemampuan menyeleksi gas

atau cairan yang ingin dideteksinya. Sifat ini tidak kalah penting dengan sensitifitas

mengingat gas atau cairan yang dideteksi tentunya akan bercampur dengan zat lain

yang ada disekelilingnya.

3. Waktu respon dan waktu recovery, yaitu waktu yang dibutuhkan sensor

untuk mengenali zat yang dideteksinya. Semakin cepat waktu respon dan waktu

recoveri maka semakin baik sensor tersebut. Beberapa gas berbahaya bahkan dapat

sangat cepat bereaksi dengan tubuh manusia yang dapat berakibat sangat fatal

seperti gas CO2 atau NO2 yang dalam hitungan dibawah 5 menit dapat

mengakibatkan kematian. Karenanya kemampuan mendeteksi gas seperti ini

harulah lebih cepat dari kemampuan gas tersebut beraksi dengan tubuh manusia.

4. Stabilitas dan daya tahan, yaitu sejauh mana sensor dapat secara konsisten

memberikan besar sensitifitas yang sama untuk suatu gas, serta seberapa lama

sensor tersebut dapat terus digunakan. Keempat sifat sensor ini merupakan sifat

yang senantiasa diidentifikasi oleh para peneliti untuk mendapatkan sensor yang

berkualitas baik.

2.10.2.3Dasar Teoritis Sensor Kimia

Struktur Kristal dari semikonduktor tipe-n seperti SnO2 mengandung

elektron berlebihan dan saat sensor kontak dengan di udara, oksigen diserap secara

kimia pada permukaan dengan reaksi berikut :


O2 + 2e 2O-ad Berikut gambar pelat tipis sensor gas :

reaksi dipermukaan dengan oksigen, gas oksigen menyerap elektron dari dari SnO2

memiliki kelebihan elektron. Reaksi ini mengarah pada konduktivitas listrik yang

diukur sebagai resistensi listrik yang tinggi. Setelah kontak dengan gas , maka

reaksi permukaan diperlihatkan dalam persamaan :

Gas + O-ad GasO + e

dalam hal ini, gas menyerap oksigen secara kimia dan teroksidasi. Gas teroksidasi

dapat bertindak sebagai zat pereduksi yang dirasakan dengan tipe sensor , melalui

reaksi diatas mengarah pada oksidasi dan reduksi yang melibatkan tranfer elektron.

Reaksi Gas + O-ad GasO + e, apabila konsentrasi gas meningkat maka

O-ad yang diadsorbsi semakin banyak. Elektron yang lepas dari permukaan

lapisan SnO2 meningkat mengakibatkan peningkatan konduktivitas listrik pada

lapisan SnO2 dan pengurangan resistensi listrik. Dalam hal ini, gas dapat dianggap

sebagai donor elektron. Karena jumlah elektron yang dimiliki setiap gas tidak sama

maka pembacaan sensor kimia secara spesifik untuk setiap gas yang akan disensing

dengan konsentrasi tertentu.

SiO2

SnO2

RuO2

Elek. AuGas

Elek. Au

Elek. Au

Elek. Au

Gambar 2.5. Pelat Tipis

15


16

2.11. SENSOR TGS 4160

Taguci Gas Sensor (TGS) 4160 adalah Fujia logika menghasilkan model

solid-state elektrokimia untuk sensor gas karbon dioksida (CO2). TGS 4160

memiliki karakteristik ukuran kecil, umur panjang, selektivitas yang baik, stabilitas

tinggi, tahan terhadap kelembapan tinggi dan temperatur rendah. TGS 4160 dapat

digunakan dalam sistem ventilasi otomatis atau pemantauan jangka panjang dari

aplikasi gas CO2 (www.8085 project.info).

Sensor gas CO2 tipe semikonduktor TGS 4160 , sensor yang bekerja secara

elektrokimia, saat terkena material di lingkungan gas CO2, maka akan memiliki

reaksi elektrokimia sesuai reaksi berikut :

Reaksi katodik : 4Li + 2 CO2 + O2 +4 e 2Li2CO3 Reaksi Anodik : 4Na + O2 +4 e 2Na2O

Reaksi Redoks : Li2CO3 +2 Na Na2O +2 Li + CO2 Sebagai hasil reaksi elektrokimia, persamaan menurut Neste (Nernst),

proses ini akan menghasilkan potensial berikut (EMF) :

EMF = Ec-(RF) / (2F) ln (P.CO2)

Dimana: PCO2 adalah tekanan parsial CO2; Ec adalah konstan; R adalah konstanta

gas; T adalah suhu (K); F adalah konstanta Faraday.

Dilihat dari rumus di atas, dengan memantau tegangan yang dihasilkan antara dua

elektroda yakni nilai potensial dari EMF, nilai konsentrasi CO2 dapat diukur. Untuk

menjaga sensitifitas dari sensor ,temperatur perlu diperhatikan, sehingga pemanasan

tegangan harus stabil, ruang lingkup harus 5,0 0.2VDC. Untuk menjamin

pengukuran konsentrasi gas CO2 yang akurat sekaligus untuk memastikan stabilitas

tegangan pemanasan dan perubahan suhu lingkungan.


17

Gambar 2.6 : Sensor TGS 4160

Berikut ini dapat dilihat gambar karakteristik sensitivitas dari emisi gas

buang kenderaan bermotor berbahan bakar bensin diperoleh untuk TGS 4160 lebih

sensitif terhadap gas CO2 :

Gambar 2.7 Karakteristik Sensitifitas sensor dari

Karakteristik Sensitivitas

Konsentrasi Gas ( ppm )

beberapa bahan sensing dengan TGS 4160


18

2.12 MIKROKONTROLER AT MEGA - 8535.

Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan

keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara

khusus. Alat ini dihubungkan ke rangkaian sensor untuk mengambil data yang akan

dikirim ke komputer. (htpp://Mikrokontroler.Tripod.com/6805 bab1.html).

Mikrokontroler adalah versi mini atau mikro dari sebuah komputer yang berfungsi

sebagai Analog to Digital Converter (ADC) yakni mengubah data sinyal analog

menjadi signal digital, karena mengandung beberapa peripheral yang langsung

dimanfaatkan.

Gambar mikrokontroler ATMega 8535 dapat dilihat dibawah ini:

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Gambar 2.8 Alat Mikrokontoler AT Mega 8535

2.13 SENSOR INSTRUMEN AQ 5000 PRO

Sensor Instrumen AQ 5000 Pro merupakan sensor yang secara khusus untuk

mendeteksi kadar gas CO2 di udara. Alat ini dilengkapi dengan infrared, A/D

Converter dan Displey. Alat sensor Instrumen AQ 5000 Pro dapat mengukur

konsentrasi Gas CO2 di udara sangat akurat pada level tertentu.


19

Kelebihan dari alat ini, bentuknya kecil, ringan, dan dapat diketahui dengan

cepat konsentrasi gas CO2 dengan memasukkan gas CO2 dan setelah melewati

sensor. Salah satu kelemahan alat ini tidak langsung menunjukkan angka

konsentrasi gas CO2 .

Akurasi Pengukuran Instrumen AQ 5000 Pro

Rentang 0 - 5000 ppm : kesalahan 3 % atau keterbacaan 50 ppm Rentang 0 - 20.000 ppm : kesalahan 3 % atau keterbacaan 300 ppm

Gambar 2.9. Sensor IAQ 5000 Pro

Gambar 2.10. Diagram IAQ 5000


Karakteristik Sensor

Documents