1

Abstract— Pada saat ini pengembangan sensor pH sangat

dibutuhkan untuk memperoleh sensor pH yang lebih baik daripada

sensor pH terdahulu yang masih memiliki kelemahan. Pada

penelitian ini dibuat sebuah sensor pH berbasis lapisan silika sol-

gel. Sensor pH ini mampu mengukur pH dengan range 5-7.Sensor

pH dibuat dengan berbahan dasar serat optik yang pada bagian

tengahnya dikupas bagian jaket dan claddingnya. Kemudian

sebagai pengganti cladding, digunakan bahan sol-gel yang peka

terhadap pH. Sebagai alat ukur, keandalan sensor pH perlu

diketahui. Dalam artian informasi lama waktu hidup atau lifetime

sensor pH diperlukan sebagai pertimbangan penggunaan.Untuk

mengetahui lifetime sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel ini,

sensor pH diberi uji operational lifetime test. Dari data waktu

kegagalan sensor pH, dapat diperoleh informasi bahwa lifetime

sensor pH adalah 2,89 hari dengan laju kegagalan 0,69 kegagalan/

hari, dan sensor pH memiliki distribusi lognormal sebagai

distribusi probabilitasnya.

Kata Kunci: sensor pH, serat optik, sol-gel, lifetime

I. PENDAHULUAN pH adalah derajat keasaman yang digunakan untuk

menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh suatu larutan. Pengukuran pH sangat penting dilakukan karena pH merupakan variabel yang memiliki jangkauan luas dalam penerapannya, diantaranya adalah kesehatan, industri, dan pertanian. Dalam melakukan pengukuran pH penggunaan metode potensiometrik dan ion-selektif telah sering dilakukan walaupun masih memiliki kekurangan dalam sisi biaya dan keakuratan yang masih belum begitu baik. Metode yang sedang berkembang saat ini adalah metode immobilisasi dengan menggunakan sol-gel. Penggunaan metode ini telah dilakukan Gupta dkk [1], yaitu sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel yang terintegrsi dengan serat optik. Dengan penggunaan serat optik diharapkan dampaknya terhadap lingkungan lebih kecil dan tidak mengalami gangguan elektromagnetik.

Salah satu hal yang terpenting dalam pembuatan sensor adalah mengetahui keandalan (reliability) dari sensor tersebut. Salah satu hal yang merupakan bagian dari keandalan adalah lifetime sebuah sensor. Kebutuhan untuk mengetahui seberapa lama waktu yang dimiliki oleh sebuah sensor untuk bisa bekerja dengan baik sangat diperlukan karena akan memberi pengaruh yang besar terhadap hasil pengukuran. Oleh karena itu tugas akhir ini dilakukan untuk mengetahui lifetime dari sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel.

Tujuan yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini adalah mengetahui lifetime sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel yang telah dikenai perlakuan tertentu. Manfaat dari penelitian tugas akhir ini adalah diperolehnya informasi mengenai

lifetime sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel. Sehingga sebagai sensor yang baru dikembangkan, informasi tersebut dapat digunakan sebagai acuan dalam penggunaanya.

Batasan masalah yang ada dalam tugas akhir ini adalah: Sensor pH yang digunakan pada penelitian ini adalah

sensor pH yang dibuat dengan langkah yang sama dengan Lucky Wibisono [2].

Perlakuan yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah uji Operational Lifetime Test pada temperatur 40oC, pH=5, dan sumber tegangan sebesar 12V DC.

Model distribusi probabilitas waktu kegagalan sensor pH berdasarkan rangking Kolmogorov Smirnov.

II. DASAR TEORI A. Definisi pH

pH adalah derajat keasaman yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh sebuah larutan. Ia didefinisikan sebagai kologaritma aktivitas ion hidrogen (H+) yang terlarut. Koefisien aktivitas hidrogen tidak dapt diukur secara eksperimental, sehingga nilainya didasarkan pada perhitungan teoritis. Skala pH bukanlah skala absolut. Ia bersifat relatif terhadap sekumpulan larutan standar yang pH-nya ditentukan berdasarkan persetujuan internasional.

pH didefinisikan sebagai minus logaritma dari aktivitas ion hidrogen dalam larutan berpelarut air. pH merupakan kuantitas tak berdimensi

(1)

Dengan aH adalah aktivitas ion hidrogen. Alasan penggunaan definisi ini adalah bahwa aH dapat diukur secara eksperimental menggunakan elektroda ion selektif yang merespon terhadap aktivitas ion hidrogen ion. B. Sensor dan Tranduser

Transduser adalah alat yang mengubah suatu energi dari satu bentuk ke bentuk lain, yang merupakan elemen penting dalam sistem pengendali. Secara umum transduser dibedakan atas dua prinsip kerja yaitu: pertama, Transduser Input dapat dikatakan bahwa transduser ini akan mengubah energi non-listrik menjadi energi listrik. Kedua, Transduser Output adalah kebalikannya, mengubah energi listrik ke bentuk energi non-listrik. Selain itu tranduser juga dibagi menjadi dua macam, yaitu tranduser aktif dan tranduser pasif. Tranduser pasif mengkonversi besaran fisik atau kimia ke dalam besaran yang

ANALISIS LIFETIME SENSOR pH BERBASIS LAPISAN SILIKA SOL-GEL

Syarif Mutsaqqif Katherin Indriawati Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri

ITS Surabaya Indonesia 60111, email: syarif.mutsaqqif@ymail.com

2

lain dengan bantuan sumber energi. Sedangkan tranduser aktif mengkonversi besaran fisik atau kimia ke dalam besaran yang lain tanpa bantuan sumber energi.

Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur sesuatu yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan sistem yang akan disensor maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor berikut ini

1. Linieritas

Gambar 1 Kurva Linieritas [3]

2. Sensitivitas

Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”.

3. Tanggapan waktu Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan.

C. Sensor pH Serat Optik

Serat optik terbuat dari bahan dielektrik berbentuk seperti kaca (glass). Di dalam serat inilah energi cahaya yang dibangkitkan oleh sumber cahaya disalurkan sehingga dapat diterima di ujung unit penerima (receiver). Struktur Serat optik pada umumnya terdiri dari 3 bagian yaitu:

1. Bagian yang paling utama dinamakan bagian inti (core), dimana gelombang cahaya yang dikirimkan akan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapisan kedua.

2. Bagian yang kedua dinamakan lapisan selimut (Cladding), dimana bagian ini mengelilingi bagian inti dan mempunyai indeks bias lebih kecil dibandingkan dengan bagian inti.

3. Bagian yang ketiga dinamakan lapisan jaket (Coating), dimana bagian ini merupakan pelindung lapisan inti dan selimut yang terbuat dari bahan plastik yang elastis

Gambar 2 Struktur Serat Optik [4]

Penggunaan serat optik juga memilki keuntungan dan

kerugian, berikut ini merupakan keuntungan dan kerugian serat optik [4].

Keuntungan Serat Optik 1. Mempunyai lebar pita frekuensi (bandwith yang lebar). 2. Redaman sangat rendah dibandingkan dengan kabel yang

terbuat dari tembaga. 3. Kebal terhadap gangguan gelombang elektromagnet. 4. Dapat menyalurkan informasi digital dengan kecepatan

tinggi. 5. Ukuran dan berat serat optik kecil dan ringan. 6. Tidak mengalirkan arus listrik. 7. Sistem dapat diandalkan (20 – 30 tahun) dan mudah

pemeliharaannya.

Kerugian Serat Optik 1. Konstruksi serat optik lemah sehingga dalam

pemakaiannya diperlukan lapisan penguat sebagai proteksi.

2. Karakteristik transmisi dapat berubah bila terjadi tekanan dari luar yang berlebihan

3. Tidak dapat dialiri arus listrik, sehingga tidak dapat memberikan catuan pada pemasangan repeater.

Selama dua dekade terakhir, pengembangan serta aplikasi

sensor kimia dan biosensor tumbuh dengan pesat. Di antara semua sensor, sensor pH telah mendapatkan banyak perhatian, karena pentingnya pengukuran pH di berbagai bidang penelitian dan aplikasi praktis. Sensor pH berbasis serat optik kini menjadi alternatif selain elektroda didalm penggunaannya untuk pengukuran pH dan menawarkan berbagai kelebihan seperti kekebalan dari gangguan listrik, keakuratan yan lebih baik dan kemungkinan untuk aplikasi penginderaan jauh Pengembangan dan aplikasi sensor pH berbasis serat optik sebelum 1990 telah dilakukan oleh Leiner and Wolfbeis. Sepanjang tahun 1990-an, pekerjaan ini terus dilanjutkan sebagaimana yang dibuktikan oleh ratusan publikasi dalam literatur.

D. Metode Imobilisasi

Imobilisasi indikator pH adalah langkah kunci dalam pengembangan sensor pH optik dan serat optik, dan akan sangat menentukan karakteristik dari sensor. Ada tiga metode yang digunakan secara luas untuk imobilisasi indikator pH di / dalam substrat padat: adsorpsi, ikatan kovalen dan jebakan [5].

Dalam metode adsorpsi, indikator pH diserap secara fisik maupun kimiawi, contohnya melalui elektrostatik atau interaksi hidrofobik, pada substrat padat; ini merupakan metode yang sederhana, tetapi tidak terlalu diandalkan karena indikator yang terserap dapat meleleh keluar. Dalam mtode ikatan kovalen, indikator pH secara kovalen terikat pada substrat yang solid, biasanya rumit dan memakan waktu, tetapi sangat handal karena indikator cenderung tidak meleleh keluar. Dalam metode jebakan, indikator pH terperangkap dalam pori-pori substrat polimer; ini cukup mudah dan dapat diandalkan tetapi lambatnya pencucian indikator dapat menjadi masalah. Ketiga metode imobilisasi di atas terus digunakan sepanjang tahun 1990-an. Seperti yang dibahas di bawah ini, beberapa metode immobilisasi adalah aplikasi dari metode yang dikembangkan sebelum 1990. Terdapat beberapa metode imobilisasi, diantaranya yaitu imobilisasi oleh interaksi elektrostatik, imobilisasi oleh interaksi hidrofobik, selulosa untuk ikatan kovalen dan jebakan indikator ph,

3

imobilisasi fotokimia, elektrokimia imobilisasi, substrat polimer organik lainnya, dan sol-gel gelas

Sejak pertama kali digunakan pada tahun 1990, sol-gel gelas telah menjadi salah satu substrat padat yang paling banyak digunakan dalam pengembangan sensor pH optik dan serat optic [5]. Sol-gel gelas dapat dibuat pada suhu kamar melalui hidrolisis, kondensasi dan polikondensasi dari alkoksida prekursor, misalnya tetramethoxysilane, Si(OCH3)4, untuk persiapan lapisan silika sol-gel. Sol-gel adalah bahan berpori yang dapat digunakan untuk menjebak indikator pH.

Dibandingkan dengan polimer organik, sol-gel kaca sebagai substrat padat anorganik memberikan banyak keuntungan, antara lain: (1) tingkat stabilitas kimia, fotokimia dan termal yang tinggi, demikian juga kekuatan mekaniknya, (2) transparansi optik (sampai sampai 250 nm), (3) kompatibilitas dengan berbagai indikator pH, dan (4) kelayakan untuk pelapisan langsung pada kaca dan serat silika .Namun, sol-gel juga memiliki beberapa kekurangan seperti respons yang lambat dan reagen pencucian.

Beberapa pendekatan telah digunakan untuk meminimalkan masalah pencucian, misalnya pemanasan sol-gel gelas yang didoping sebelum digunakan dalam penginderaan, persiapan sol-gel pada tinkat keasaman yang tinggi dan rendah kadar air, dan menggunakan prekursor derivatized dengan pH indikator, misalnya trimethyoxysilanemethyl merah, atau (CH3O)3Si-MR. E. Keandalan (Reliability)

Keandalan (reliability) didefinisikan sebagai kemungkinan suatu komponen atau sistem yang akan melaksanakan fungsinya untuk periode waktu yang diberikan ketika digunakan pada kondisi operasi yang telah ditentukan. Untuk menunjukkan hubungannya secara matematis, didefinisikan variabel kontinyu acak T sebagai waktu gagal sistem atau komponen. Dengan T≥0, fungsi reliability adalah

(2) Dimana R(t)≥0, R(0)=1, dan limt

∞ R(t)=0. Untuk nilai t yang

diberikan, R(t) adalah probabilitas waktu kegagalan lebih baik atau sama dengan t. Jika didefinisikan

(3) Dimana

Dan

Kemudian F(t) adalah probabilitas bahwa kegagalan terjadi sebelum waktu t. Selanjutnya dapat disebut R(t) sebagai reliability function dan F(t) sebagai cumulative distribution

function (CDF). Dan fungsi ketiga adalah probability density

function (PDF) yang didefinisikan sebagai

(4)

Laju Kegagalan Laju pada saat kegagalan terjadi dalam interval waktu t1

dan t2, laju kegagalan λ(t), didefinisikan sebagai rasio

probabilitas terjadinya kegagalan dalam suatu interval waktu. Persamaan laju kegagalan dapat dinyatakan

(5)

Dengan f = Banyaknya Kegagalan Selama Operasi T = Total Waktu Operasi (t) = Fungsi Laju Kegagalan

Laju kegagalan dalam beberapa kasus dapat ditunjukkan

sebagai penambahan atau Increasing Failure Rate (IFR), sebagai penurunan atau Decreasing Failure Rate (DFR), dan sebagai konstan atau Constant Failure Rate (CFR), pada saat fungsi laju kegagalan (t) adalah fungsi penambahan, penurunan atau konstan. Distribusi Statistik Untuk Model Keandalan

Terdapat banyak standard distribusi statistik yang mungkin digunakan untuk model berbagai parameter keandalan. Suatu distribusi tertentu digunakan berdasarkan data natural dalam berbagai kasus. Berikut ini merupakan beberapa contoh distribusi probabilitas. Distribusi Normal

Distribusi normal yang sering disebut juga dengan distribusi gaussian adalah salah satu jenis distribusi yang paling sering digunakan dalam menjelaskan sebaran data. Probability Density Function (PDF) dari distribusi normal adalah simetris terhadap nilai rata-rata (mean) dan dispersi terhadap nilai rata-ratanya diukur dengan nilai standard deviasi. Dengan kata lain parameter distribusi normal adalah mean dan standard deviasi. Probability density function dari distribusi normal dapat ditulis dengan persamaan [Ketutbuda, 2000].

(6)

Dimana f(t)=probability density function µ=mean σ=standard deviation

Jika distribusi waktu antar kegagalan suatu komponen atau sistem mengikuti distribusi normal, maka: Fungsi keandalan distribusi normal ditunjukkan pada

persamaan

(7)

Waktu rata-rata kegagalan (MTTF) ditunjukkan dalam persamaan

(8)

4

Distribusi Lognormal Fungsi kerapatan peluang untuk distribusi lognormal

seperti pada persamaan [Ketutbuda, 2000]:

(9)

Karakteristik distribusi lognormal mempunyai dua parameter yang pertama parameter lokasi () dan yang kedua parameter skala (), sama dengan standard deviation. Jika distribusi waktu antar kegagalan mengikuti distribusi lognormal, maka [Ketutbuda, 2000]: Fungsi keandalan distribusi lognormal ditunjukkan pada

persamaan

(10)

Waktu rata-rata kegagalan (MTTF) ditunjukkan dalam persamaan

(11)

Distribusi Weibull Distribusi weibull telah digunakan secara luas dalam

teknik keandalan. Keuntungan dari distribusi ini adalah dengan melakukan perubahan parameter di dalamnya menjadikan distribusi ini dapat digunakan untuk merepresentasikan banyak PDF, sehingga mempunyai banyak aplikasi, serta dapat di gunakan untuk variasi data yang luas. Karakteristik distribusi weibull [Andrews J.D, 2000]: Mempunyai 2 ( , ) atau 3 ( , , γ ) parameter.

= parameter skala (scale parameter), 0, disebut sebagai, characteristic life.

= parameter bentuk (shape parameter), 0, mendeskripsikan bentuk dari PDF.

γ= parameter lokasi (locations parameter), merepresentasikan failure-free atau awal periode dari penggunaan item. Jika γ= 0 maka distribusi akan berubah menjadi 2 parameter.

Nilai , , γ dapat diketahui dari weibull probability

paper atau dari software. Saat nilai = 1 dan γ= 0 weibull akan ekivalen dengan

distribusi eksponensial. Saat nilai = 3,44 weibull akan mendekati distribusi

normal. Jika distribusi waktu antar kegagalan suatu komponen atau sistem mengikuti distribusi weibull, maka: [Andrews J.D, 2000]. Fungsi keandalan distribusi weibull dinyatakan dalam

persamaan

(12)

Laju kegagalan distribusi weibull dinyatakan dalam

persamaan

(13)

Saat <1 akan didapatkan penurunan fungsi laju kegagalan, saat >1 akan didapatkan peningkatan fungsi laju kegagalan, = 1 merupakan fungsi distribusi eksponensial, nilai = mean life (1/).

Waktu rata–rata kegagalan (MTTF) ditunjukkan pada persamaan

(14)

III. METODE Pada bagian ini akan dijelaskan secara rinci mengenai

langkah-langkah penelitian ini. Metode yang dilakukan dalam penelitian ini memiliki beberapa langkah umum, yaitu:

1. Pembuatan sensor pH dengan bahan dasar serat optik yang dilapisi oleh lapisan silika sol-gel.

2. Pembuatan rangkaian pengujian sensor pH. 3. Pengujian sensor pH dengan operational lifetime test. 4. Analisis data dan hasil pengujian untuk memperoleh

lifetime sensor pH. Untuk lebih lengkapnya, langkah-langkah tersebut

dijelaskan pada bagian berikut. 3.1 Pembuatan Sensor pH

Langkah awal pembuatan sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel adalah menentukan bahan dan peralatan yang digunakan. Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan sensor pH adalah serat optik plastik, larutan alkohol, larutan HNO3 30%, larutan aquades, TEOS (Tetra

Ethyl Ortho Silicate), etanol absolut, dan bromophenol blue.

Sedangakan peralatan yang digunakan dalam pembuatan sensor adalah cutter, beaker glass, gelas ukur, hot plate

magnetic stirrer, termometer, dan timbangan Langkah Pembuatan Sensor pH

Sekarang akan dijelaskan mengenai langkah-langkah pembuatsn sensor pH yang berbahan dasar serat optik dan dilapisi dengan lapisan silika sol-gel. Serat optik yang telah disiapkan dengan ukuran 980/1000 dipotong sepanjang 15 cm. Kemudian pada bagian tengah serat optik dikupas jaket dan claddingnya sepanjang 5 cm dengan menggunakan cutter dan sisa-sisa jaket yang tertinggal juga dirapikan dengan menggunakan cutter. Setelah itu, bagian ujung-ujung serat optik dihaluskan dengan menggunakan kertas amplas khusus serat optik. Selanjutnya, bagian tengah serat optik yang telah dikupas dibersihkan dengan cara dicelupkan kedalam larutan alkohol. Kemudian bagian yang telah dikupas itu direndam kedalam larutan HNO3 30% selama 5 menit. Tujuan dari direndam kedalam larutan HNO3 30% adalah untuk mengaktifkan komponen OH, sehingga nantinya akan menyebabkan molekul silika sol-gel mudah menempel pada bagian core. Setelah direndam dalam larutan HNO3 30%, serat optik direndam kedalam aquades dan kembali dibersihkan dengan menggunakan larutan alkohol lagi.

Langkah selanjutnya adalah pembuatan lapisan silika sol-gel yang dilakukan dengan cara mencampurkan 30mL TEOS,

5

30mL etanol absolute, 2mL aquades, dan 82mg bromophenol

blue. Setelah semua bahan dicampur, campuran diaduk selama 30 menit pada suhu tetap 60oC dengan menggunakan hot plate

magnetic stirrer. Campuran yang telah homogen sudah siap digunakan sebagai bahan pengganti cladding dengan menggunakan teknik dip-coating. Teknik ini merupaka teknik pelapisan dengan cara mencelupkan serat optik pada campuran coating, kemudian ditarik dengan kecepatan 10 cm/menit. Dengan kecepatan tersebut akan diperoleh lapisan sol-gel mendekati 0,15µm. Setelah proses dip-coating selesai, serat optik dibiarkan pada tekanan atmosfer dan pada suhu kamar selama 20 hari. Setelah 20 hari, serat optik direndam terlebih dahulu dalam air sebelum digunakan.

Gambar 3 Sensor pH Serat Optik dengan Lapisan Silika Sol-

Gel

3.2 Pembuatan Rangkaian Pengujian Sensor pH Pengujian dilakukan dengan mengetahui hubungan antara

pH yang terukur oleh sensor pH dengan besarnya tegangan listrik yang diterima oleh fotodioda. Selanjutnya akan dijelaskan mengenai peralatan, bahan, dan langkah-langkah dalam membuat kurva karakteristik sensor. Bahan-bahan yang digunakan untuk melakukan pengujian sensor pH adalah air dan asam cuka (asam asetat). Sedangkan peralatan yang digunakan untuk membuat karakteristik sensor adalah gelas bening, LED, fotodioda, pH meter, dan AVO meter

Berikut ini merupakan langkah-langkah pengujian sensor yang menyatakan hubungan pH dengan tegangan listrik. 1. Pertama-tama adalah menyusun rangkaian seperti pada

gambar 3.2 2. Air dimasukkan ke dalam gelas bening, kemudian pH air

diukur dengan menggunakan pH meter. 3. LED dinyalakan dan tegangan listrik yang dihasilkan

oleh fotodioda diukur dengan menggunakan AVO meter. 4. Setelah diperoleh tegangan listrik untuk pH 7 (air), maka

asam asetat diteteskan sedikit demi sedikit. 5. Setelah ditetesi asam asetat, pH kembali diukur dengan

pH meter dan tegangan listrik yang kembali diukur menggunakan AVO meter.

6. Langkah 4-5 diulang sampai nilai pH larutan bernilai 5 atau mendekati 5.

7. Setelah diperoleh nilai hubungan pH dengan tegangan listrik, dibuat kurva karakteristik dengan memplot nilai pH sebagai sumbu X dan tegangan listrik sebagai sumbu Y. Karena dihasilkan adanya hubungan yang linier, maka untuk titik-titik hubungan pH dan tegangan listrik dapat dilakukan interpolasi.

Gambar 4 Rangkaian Alat Pengujian Sensor pH

Gambar rangkaian pengujian sensor pH adalah seperti

pada gambar 4. Pada gambar dapat dilihat bagian-bagian dari rangkaian, yaitu (1) AVO meter, (2) rangkaian adaptor, (3) fotodioda, (4) serat optik, dan (5) LED. 3.3 Pengujian Sensor pH dengan Operational Lifetime Test

Operational lifetime test pada sensor pH ini dilakukan dengan tujuan untuk menentukan keandalan dan lifetime sensor pH selama dalam praktek operasinya yang berdasarkan pada kriteria kegagalan. Oleh karena itu, kondisi teknis pengujian dibuat sama sebagaimana nilai operasional sensor. Untuk pengujian operational lifetime test sensor pH ini dilakukan pada suhu 40oC dengan pH larutan uji bernilai 5 dan sumber tegangan sebesar 12V DC.

Untuk meningkatkan ketepatan analisis, pengujian dilakukan sampai keseluruhan sensor tidak berfungsi. Setelah itu dilakukan analisis statistik untuk memperoleh lifetime sensor pH berdasarkan waktu kegagalan sensor pH. Jika parameter sensor pH telah menyimpang jauh dari nilai benarnya atau sensor pH sudah tidak berfungsi lagi, maka sensor dinyatakan telah mengalami kegagalan. Jadi dalam operational lifetime test ini sebuah sensor dinyatakan gagal ketika parameternya mengalami penyimpangan dari jangkauan kriteria nilai aslinya.

Sebagai alat tambahan dalam melakukan operational

lifetime test adalah hot plate magnetic stirrer, yang digunakan untuk mendapatkan setpoint suhu 40oC. Pengujian dilakukan kepada semua sensor pH dengan perlakuan yang sama, baik temperatur yang diterima, besarnya nilai pH larutan, lama perlakuan, dan waktu perlakuan. Berikut ini merupakan langkah-langkah dalam melakukan uji operational lifetime

test. 1. Mula-mula sensor pH yang sudah dipasang pada gelas

diberi air dengan pH bernilai 7. 2. Karena nilai pH yang digunakan untuk perlakuan adalah

5, maka sedikit demi sedikit air ditetesi dengan asam asetat hingga diperoleh nilai pH sebesar 5.

3. Setelah itu gelas diletakkan di atas megnetic stirer untuk mendapatkan pemanasan hingga 40oC.

4. Waktu peletakkan gelas ke magnetic stirer dicatat dan lama peletakan juga dicatat, hal ini dilakukan agar seluruh sensor pH memperoleh perlakuan yang sama.

Setelah rangkaian uji siap dan uji telah dijalankan, maka untuk pengambilan data berupa tegangan listrik yang keluar dari fotodioda dilakukan setiap hari.

1

2

3

4

5

6

Gambar 5 Peralatan Uji Operational Lifetime Test

Sebagai variabel yang menjadi parameter kegagalan sensor

pH selama menjalani uji operational lifetime test, dilakukan pendefinisian variabel-variabel tersebut terlebih dahulu. Sensitivitas pH (β) didefinisikan sebagai rasio dari tegangan listrik pada pH 7 (V7) dengan tegangan listrik pada pH sampel (Vi). Penyimpangan sensitivitas sensor pH yang berkenaan dengan nilai sensitivitas terukur yang pertama direkam dalam kondisi pengukuran tertentu. Sebagai contoh, sebuah sensor menunjukkan sensitivitas βo pada waktu awal, dan pada waktu tertentu, sensor menunjukkan nilai βn, maka perubahan sensitivitasnya adalah

(15) dengan

dan Sedangkan rasio penyimpangan didefinisikan sebagai

(16)

Tegangan listrik pertama yang terukur pada pH=7 didefinisikan sebagai garis dasar sensor. Penyimpangan garis dasar sensor didefinisiakan sebagai perubahan tegangan listrik dari sensor yang sama dari nilai pengukuran awal pada kondisi pengukuran tertentu. Sebagai contohnya, sebuah sensor menunjukkan nilai tegangan listrik Vo pada waktu awal, dan pada waktu tertentu, sensor menunjukkan nilai tegangan listrik Vn, sehingga perubahan tegangan listrik adalah

(17)

Dengan dan

dan rasio penyimpangan didefinisikan

(18) 3.4 Penentuan Lifetime Sensor pH

Keandalan suatu sistem atau sebuah device memiliki distribusi probabilitas yang berbeda-beda, seperti distribusi normal, lognormal, weibull, dan ekasponensial. Untuk mengetahui distribusi probabilitas yang dimiliki oleh sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel ini, yaitu dengan menggunakan software EasyFit 5.2 Professional. Dengan menggunakan software tersebut akan diperoleh distribusi probabilitas yang paling mendekati distribusi probabilitas

sensor pH. Selain mendapatkan distribusi probabilitas yang paling mendekati, juga akan diperoleh nilai parameter-parameter distribusi tersebut.

Setelah diperoleh tipe distribusi probabilitas dari sensor pH, selanjutnya adalah mancari lifetime sensor pH dengan menggunakan formula yang sesuai dengan pola distribusi sensor pH. Pencarian lifetime tersebut bisa dilakukan dengan menggunakan perhitungan rumus atau dilakukan dengan menggunakan software microsoft excel.

IV. HASIL PENELITIAN Dari sembilan sensor yang telah dibuat, diperoleh data

hasil pengujian yang ditunjukkan pada tabel 1.

Tabel 1 Hasil Pengukuran Awal sensor I sensor II sensor III sensor IV

pH V0 pH V0 pH V0 pH V0

7 3,2 7 8,29 7 6,37 7 5,32

6,9 3,2 6,9

6,9

6,9 6,8

6,8

6,8 6,36 6,8

6,7

6,7 8,21 6,7

6,7 5,31

6,6 3,18 6,6

6,6

6,6 5,3

6,5

6,5

6,5 6,33 6,5 6,4

6,4 8,19 6,4

6,4 5,28

6,3 3,13 6,3

6,3

6,3 6,2

6,2

6,2 6,31 6,2 5,25

6,1

6,1 8,15 6,1

6,1 6 3,1 6

6

6

5,9

5,9

5,9

5,9 5,24

5,8

5,8 8,12 5,8 6,29 5,8 5,7 2,9 5,7

5,7

5,7

5,6

5,6 8,12 5,6

5,6 5,24

5,5

5,5

5,5 6,29 5,5 5,4 2,87 5,4

5,4

5,4

5,3

5,3

5,3

5,3 5,24

5,2

5,2 8,11 5,2 6,28 5,2 5,1 2,86 5,1

5,1

5,1 5,23

5

5

5

5

sensor V sensor VI sensor VII sensor VIII sensor IX

pH V0 pH V0 pH V0 pH V0 pH V0

7 1,569 7 9,63 7 11,9 7 1,65 7 4,74

6,9

6,9 9,61 6,9

6,9

6,9

6,8 1,567 6,8

6,8 11,89 6,8 1,685 6,8 4,72

6,7

6,7

6,7

6,7

6,7

6,6

6,6 9,61 6,6 11,89 6,6 1,699 6,6

6,5 1,56 6,5

6,5 11,87 6,5

6,5 4,72

6,4

6,4

6,4

6,4 1,716 6,4

6,3

6,3 9,6 6,3 11,86 6,3

6,3 4,7

6,2 1,56 6,2

6,2

6,2 1,724 6,2

6,1

6,1

6,1 11,86 6,1

6,1

6

6 9,59 6

6 1,738 6 4,67

5,9

5,9

5,9 11,86 5,9

5,9

5,8

5,8

5,8

5,8 1,749 5,8 4,67

7

5,7 1,554 5,7

5,7 11,86 5,7

5,7

5,6

5,6 9,57 5,6

5,6 1,762 5,6 4,66

5,5 1,553 5,5

5,5

5,5

5,5

5,4

5,4 9,52 5,4 11,85 5,4 1,77 5,4

5,3 1,548 5,3

5,3

5,3

5,3 4,66

5,2

5,2 9,45 5,2 11,85 5,2 1,778 5,2

5,1 1,548 5,1

5,1

5,1

5,1 4,65

5

5 9,43 5

5 1,79 5

Setelah memperoleh hasil pengukuran tegangan listrik yang dikeluarkan oleh sensor pH untuk beberapa nilai pH, selanjutnya dilakukan plot hubungan nilai pH dengan tegangan listrik untuk mendapatkan kurva karakteristik sensor pH. Kurva karakteristik dari kesembilan sensor dapat ditunjukkan pada gambar 6.

Gambar 6 Kurva Hubungan pH-Tegangan Listrik Sensor I-IX

Range pH untuk pengujian adalah 5-7 sesuai dengan karakteristik bromophenol blue sebagai bahan yang peka terhadap pH 5-7. Dari hasil pengukuran pada sembilan sensor pH, diperoleh hubungan pH dengan tegangan listrik adalah linier, karena semakin kecil nilai pH maka tegangan listrik juga relatif semakin kecil. Berikut ini merupakan persamaan linieritas dari kesembilan sensor pH. Sensor I, y = 0,208x + 1,781 Sensor II, y = 0,096x + 7,581 Sensor III, y = 0,051x + 6,003 Sensor IV, y = 0,049x + 4,968 Sensor V, y = 0,011x + 1,491 Sensor VI, y = 0,089x + 9,020 Sensor VII, y = 0,027x + 11,70 Sensor VIII, y = -0,063x + 2,115 Sensor IX, y = 0,047x + 4,398

Dari hasil pengukuran awal terjadi perbedaan tagangan awal pada masing-masing sensor, hal ini terjadi karena pada proses pelapisan (coating) belum dilakukan dengan alat dip-coating. Sehingga pelapisan yang dilakukan secara manual dengan kecepatan 10cm/menit dimungkinkan belum bisa menghasilkan tebal lapisan yang sama. Selain itu terjadi satu keanehan pada sensor pH ke-VIII yang ketika nilai pH semakin kecil namun tegangan listrik justru semakin besar, padahal seluruh sensor pH dibuat dengan cara yang sama.

Sehingga untuk sensor pH ke-VIII ini, sensor pH dinyatakan gagal dan tidak digunakan. Operational Lifetime Test Sensor pH

Setelah sensor pH dibuat dan diperoleh kurva karakteristiknya, selanjutnya adalah mencari lifetime sensor pH. Untuk mencari lifetime sensor pH, perlu dilakukan uji operational lifetime test. Uji operational lifetime test ini dilakukan dengan mengopersikan sensor pH pada keadaan normal, yaitu pada pH 5 dengan suhu 40oC. Sensor digunakan sampai semua sensor mengalami kegagalan kemudian uji operational lifetime test dihentikan. Data uji opertional

lifetime test diambil setiap hari, berikut ini merupakan data hasil pengujian operational lifetime test yang diambil setiap hari yang ditunjukkan pada gambar 7-14 untuk masing-masing sensor I-IX kecuali sensor VIII. V0 merupakan pengujian awal, V1 merupakan hasil setelah pengujian hari pertama, berturu-turut untuk V2 dan V3 setelah hari kedua dan ketiga.

Gambar 7 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor I

Gambar 8 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor II

Gambar 9 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor III

8

Gambar 10 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor IV

Gambar 11 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor V

Gambar 12 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor VI

Gambar 13 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor VII

Gambar 14 Kurva Hasil Pengujian Untuk Sensor IX

Pemberhentian pengujian dilakukan karena sensor pH telah

memenuhi kriteria kegagalan. Kriteria yang menjadi parameter kegagalan sensor pH adalah sensitivitas (β), rasio penyimpangan sensitivitas (∆β), dan rasio penyimpangan tegangan listrik (∆V). Dari parameter sensitivitas, sensor pH akan dinyatakan gagal apabila dari hasil pengukuran untuk beberapa sampel pH sudah tidak ada perubahan nilai sensitivitas atau perubahan nilai sensitivitas berfluktuasi. Kemudian untuk penyimpangan sensitivitas (∆β) dan penyimpangan tegangan listrik (∆V), sensor pH akan dinyatakan gagal apabila nilai penyimpangan (∆β dan ∆V) >+0,9 atau <-0,9.

Pada tabel 2, dV1 merupakan rasio penyimpangan tegangan listrik (∆V) untuk pengukuran sehari setelah sensor pH menjalani uji operational lifetime test, sedangan dV2 adalah setelah dua hari, dan dV3 adalah setelah 3 hari. Dengan perhitungan menggunakan persamaan (18) dapat dilihat pada tabel 1, nilai rasio penyimpangan tegangan listrik relatif mendekati nilai -1, hal ini juga terjadi pada sensor-sensor pH yang lainnya. Sehingga nilai rasio penyimpangan tegangan listrik (∆V) tidak bisa dijadikan parameter kegagalan sensor pH. Selanjutnya drB1 adalah rasio penyimpangan sensitivitas (∆β) setelah hari pertama sensor pH menjalani uji operational lifetime test, berturut-turut untuk drB2, dan drB3 adalah setelah hari kedua dan hari ketiga. Dengan menggunakan persamaan (16), nilai penyimpangan sensitivitas yang bisa dilihat dari tabel 2, sensor pH masih belum mengalami kegagalan.

Selanjutnya B merupakan sensitivitas sensor pH, untuk nilai B3 yaitu sensitivitas sensor pH setelah hari ketiga menjalani uji operational lifetime test, bisa dilihat pada tabel 2, bahwa nilai sensitivitas tidak mengalami perubahan, atau β=1 untuk setiap sampel pH. Artinya untuk setiap pengukuran sampel pH, sensor pH sudah tidak memberikan perubahan pada nilai keluaran tegangan listrik. Oleh karena itu, sensor pH dinyatakan gagal setelah mendapat uji operational lifetime

test setelah tiga hari.

Tabel 2 Hasil Perhitungan Parameter Kegagalan Sensor I pH dV1 dV2 dV3 drB1 drB2 drB3

7 0 0 0 0 0 0

6,9 6,8 6,7 6,6

-1,02 -1

0,0003 -0,006

9

6,5 6,4 6,3 -1,04 -1,03 -1 -0,009 -0,012 -0,022

6,2 6,1 6

-1,03 -1

-0,022 -0,031

5,9 5,8 5,7 -1,09 -1,04 -1 -0,067 -0,082 -0,094

5,6 5,5 5,4 -1,11 -1,04 -1 -0,071 -0,088 -0,103

5,3 5,2 5,1 -1,12

-1 -0,071

-1

5

pH B0 B1 B2 B3

7 1 1 1 1

6,9 1

6,8 1,003 1,003 1

6,7

6,6 1,006 1,007 1

6,5 1,006

6,4

6,3 1,022 1,013 1,01 1

6,2

6,1 1,016

6 1,032 1,01 1

5,9 1,023

5,8

5,7 1,103 1,029 1,013 1

5,6

5,5 1,033

5,4 1,115 1,036 1,017 1

5,3

5,2 1,02

5,1 1,119 1,039 1

5 1

Setelah dilakukan uji operational lifetime test, ternyata 7

buah sensor pH telah mengalami kegagalan yang mayoritas terjadi setelah hari ketiga, namun sensor VI masih belum mengalami kegagalan. Ditunjukkan pada table .... waktu kegagalan sensor pH.

Tabel 3 Waktu Kegagalan Sensor pH

sensor I II III IV V VI VII IX waktu (hari) 3 2 3 3 3 >3 1 2

Dari data waktu kegagalan sensor pH, dilakukan pencarian distribusi probabilitas yang paling mendekati distribusi probabilitas sensor pH dengan menggunakan software EasyFit

5.2 Professional. Karena untuk sensor VI belum mengalami kegagalan setelah hari keempat dan setelah hari kelima juga masih bekerja, diasumsikan sensor pH mengalami kegagalan

pada hari keenam. Sehingga data kegagalan sensor menjadi seperti pada tabel berikut ini.

Tabel 4 Waktu Kegagalan Sensor pH Dengan Asumsi Sensor VI Gagal Pada Hari Keenam

sensor I II III IV V VI VII IX waktu (hari) 3 2 3 3 3 6 1 2

Kemudian dengan menggunakan data tersebut, dicari

distribusi probabilitas yang paling mendekati dengan menggunakan software EasyFit 5.2 Professional. EasyFit merupakan aplikasi analisis data dan simulasi yang memungkinkan untuk menyesuaikan distribusi probabilitas suatu sampel data dan memilih model yang terbaik. Dari data waktu kegagalan sensor pH, diperoleh distribusi probabilitas sensor pH adalah lognormal dengan nilai σ=0,47844 dan µ=0,94656. Setelah diperoleh distribusi probabilitas yang paling mendekati selanjutnya adalah mencari lifetieme sensor pH. Fungsi probabilitas waktu kegagalan ditunjukkan pada gambar 15, dengan sumbu X merupakan waktu kegagalan.

Gambar 15 Hasil Fit Distribution EasyFit 5.2 Professional

Dari hasil pengujian operational lifetime test terhadap

sensor pH, telah diperoleh bahwa sensor pH memiliki tipe distribusi lognormal. Sehingga untuk mencari lifetime sensor pH, dapat dilakukan dengan menggunakan rumus

(19)

Dengan σ=0,47844 dan µ=0,94656 yang diperoleh dari software EasyFit 5.2 Professional. Sehingga

Jadi, diperoleh lifetime dari sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel adalah selama 2,89 hari dengan faktor yang paling mempengaruhi sensor pH mengalami kegagalan adalah temperatur. Karena dengan temperatur yang semakin tinggi dimungkinkan akan merusak lapisan silika sol-gel. Selain mendapatkan lifetime sensor pH, dengan t=2,69 hari, σ=0,47844, µ=0,94656, dan γ=0 dapat juga diperoleh laju

10

kegagalan sensor pada hari tersebut adalah 0,47 kegagalan/hari.

V. KESIMPULAN Kesimpulan

Dari hasil penelitian terhadap sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel, diperoleh kesimpulan:

1. Sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel memiliki hubungan antara pH dan tegangan listrik adalah linier. Ketika nilai pH turun, maka tegangan listrik yang dihasilkan oleh sensor pH juga turun.

2. Sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel memiliki distribusi lognormal dengan σ=0,47844 dan µ=0,94656.

3. Sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel memiliki lifetime selama 2,89 hari dangan laju kegagalan sebesar 0,47 kegagalan/hari.

Saran

Untuk pengembangan penelitian mengenai sensor pH berbasis lapisan silika sol-gel lebih lanjut, berikut merupakan saran yang bisa dijadikan pertimbangan:

1. Dibutuhkan jumlah sampel sensor pH yang lebih banyak, dengan harapan akan diperoleh lebih banyak data.

2. Diperlukan couple yang sesuai dengan serat optik yang digunakan sebagai bahan dasar sensor pH.

VI. DAFTAR PUSTAKA [1] B.D. Gupta, D.K. Sharma, 1997, Evanescent wave absorption based

fiber optic pH sensor prepared by dye doped sol-gel immobilization technique. Optics. Communications., 140, 32-35.

[2] Lucky Wibisono, 2010, Perancangan Sistem Akuisisi Data Sensor pH

Berbasis Lapisan Siliki Sol-Gel. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

[3] http://journal.mercubuana.ac.id/data/Sensor&Tranduser.ppt [4] http://www.ittelkom.ac.id/library/index.php?option=com_content&vie

w=article&id=410:serat-optik&catid=23:sistem-komunikasi-optik&Itemid=15

[5] Jie Lin, 2000. Recent Development And Applications Of Optical And Fiber-Optic pH Sensors. Trends In Analytical Chemistry, Vol. 19, No. 9.

[6] B.D. Gupta, S. Sharma., 1998. A long-range fiber optic pH sensor prepared by dye doped sol-gel immobilization technique. Optics. Communications., 154, 282–284.

[7] Charles E. Ebeling.,1997, An Introduction to Reliability and Maintainability Engineering. Singapore : Mc Graw Hill Book Co.

[8] J. Rao, R.J. Winfield, S. O’brein, G.M. Crean, 2009. Reliability

Analysis of Transparent Conductive Tracks Embossed in ZnO and Al-

ZnO Sol-Gel Materials. Thin Solid Films, 517, 6315-6319. [9] Mehmet Coporoglu, Shane O’Brein, Gabriel M. Crean, 2009. Sol-Gel

Synthesis, Comparative Characterisation, and Reliability Analyses of

Undoped and Al-doped Zinc Oxide Thin Films, Thin Solid Films, 517, 6323-6326.

[10] Kurnia Wijayanti B, Drs. Bambang K,MSc,PhD, drh.Wuryanti, Msi, Fabrikasi Sol-Gel Benedict Sebagai Sensor Kimia Untuk Deteksi Kadar

Gula Dalam Urine, Jember: Universitas Jember. [11] Rakesh Gupta, Ritu Goel, 1992. The Truncuted Normal Life Time

Model, Microelectron. Reliab. Vol 34. No5, 935-937. [12] Yu-De Wang, Xing-Hui Wu, Zhen-Lai Zhou, Yan-Feng Li, 2003. The

Reliability and Lifetime Distribution of SnO2 and CdSnO3 Gas Sensors

For Butane. Sensors and Actuators B 92, 186-190. [13] Department of Defense USA, 1998. Military Handbook-Electronic

Reliability Design Handbook. Fort Belvior, Virginia. [14] http://id.wikipedia.org/wiki/PH [15] http://en.wikipedia.org/wiki/Log-normal_distribution

BIODATA PENULIS

Nama : Syarif Mutsaqqif TTL : Gresik, 3 Februari 1988 Alamat : Jl Pasir 4B no 9 Gresik Email : syarif.mutsaqqif@ymail.com Pendidikan : SDN Pngangan I (1994 – 2000) SLTPN 1 Gresik (2000 – 2003) SMAN 1 Gresik (2003 – 2006) Teknik Fisika ITS (2006 – Sekarang)