Sensor Kelembaban Relatif Resistif Berbasis Fi/m Polivini/ Alkohol (Nurlai/a)

SENSOR KELEMBABAN RELATIF RESISTIF BERBASISFILM POLIVINILALKOHOL

Nurlaila1, Cuk Imawan1 dan Yanti Sabarinah S.2J Departemen Fisika, FMIPA - VI

Kampus VI, DepoklPuslitbang Teknologi Isotop dan Radiasi (P3T1R) - BATAN

Jf. Raya Onere Pasar Jumat, Jakarta 12070

ABSTRAK

SENSOR KELEMBABAN RELATIF RESISTIF BERBASIS FILM POLIVINILALKOHOL. Telah

dikembangkall sensor kelem~aban relatiftipe resistif dengan film polivinil alkohol (PVA). Pelapisan film dilakukan

dengan cara dip-coating pa)ia substrat berstruktur elektroda dari film Cu-Ag. Pengaruh komposisi film, konsentrasiPYA, efekjirak_elektrodadan tTekuensi triger terhadap sifat sensing RH telah diukur dan didiskusikan. Sensitivitas

film diperoleh meningkat dengan penambahkan komponen NaCI. Penambahan AfS pada film menunjukkan efekkecenderungan penurunan impedansi dan peningkatan kestabilan struktur film. Konsentrasi PYA sekitar 7% (= Ig)memberikan komposisi optimum bagi film. Frekuensi operasi sensor untuk menghasilkan sensitivitas yang optimumdiperoleh sekitar IkHz.

Kata kunci: Polivinil alkohol (PVA), sensor RH, dip-coating, NaCI

ABSTRACT

RESISTIVE RELATIVE HUMIDITY SENSOR BASED ON POLYVINYLALCOHOLFILM. Resistive

Relative humidity sensor Based on polyvinyl alcohol (PYA) film has been developed. The film has been dip-coatedon the substrate with Cu-Ag electrode structure. Film composition, PYA concentration, electrode distance and thetrigger frequency effect on RH sensing properties have been measured and discussed. NaCI component additionincreasing impedance turned and increasing film structure stability. PYA concentration of about 7% (= Ig) yieldsoptimum film composition. sensor operation tTeqency to get optimum sensitivity is about I kHz.

Key words: Polyvinyl alcohol (PVA), RH sensor, dip-coating, NaCI

PENDAHULUAN

Penggunaan material polimer sebagai

sensor akhir-akhir ini menunjukkan peningkatan[1,2]. Disamping proses preparasi dan

fabrikasinya yang relatif sederhana polimer

memberikan harapan terciptanya suatu sensor

yang murah. Beberapa sensor kelembaban

telah pula menggunakan material sensitifberbasis polimer [3-6]. Kelambatan pemanfaatan

polimer sebagai sensor kelembaban disebabkankarena kestabilannya yang masih rendah. Telah

dicoba meningkat'll kestabilan polimer denganmenggunakan metode graft copolymers sebagai

bahan film sensitifuya [1]. .Penggunaan polimer hidrofilik seperti PVA

sebagai material sensitifterhadap RH telah dicoba

diteliti [2,3]. Untuk menurunkan resistansinya

beberapa elektrolit dicoba digunakan sebagaidoping.Peningkatan kestabilan PVAmelalui ikatan

silang dengan menggunakan plasma[2]. Metode

pengikatan silang secara kimiawi telah puladilakukan [4].

Pada paper ini dilaporkan hasi!

penelitian ~manfaatan film PVAsebagai materialsensitifbagi sensor RH. TUJuandari riset ini adalah

untuk mendapatkan metode preparasi danfabrikasi film yang optimal bagi PVA sehingga

nantinya dapat dimanfaatkan lebih lanjut

sebagai basis material untuk pengembangansensor RH.

171

Prosiding Simposium Nasional Polimer V /SSN 1410-8720

METODEPERCOBAAN

Diaduk merata,lalu didiamkan ±24 jam

Preparasi dan Fabrikasi Modul Sensor RH

Bahan-bahan kimia yang dipergunakan .untukpreparasifilmyaituPolivinilAlkohol (pVA),Ammonium Perokdisulfat (APS) dan SodiumKlorida (NaCl) diperoleh dari produk Merck.Langkah preparasi larutan untuk film secaraskematis ditampilkan dalam diagram alir padaGambar 1. PVA dan air demineral yang telahdiukur massa dan volumenya dicampurkan dandiadukhinggamelarutkemudiandidiamkanselama24 jam agar PVA-nya swelling. Campuran inikemudian dipanaskan pada suhu 70°C selama

Pemanasan

(70°C, 12 jam)

Ditambahkan larutanNaCI

Didinginkan sampaisuhu ruang

12 jam agar diperoleh larutan yang homogen.Penambahan NaCl dilakukan dengan caramelarutkanterlebih dahulu NaCl ke airdemineral,kemudian baru dicampurkan ke larutan PVAclandiaduk sampai tercampur homogen. Sebelumdilapiskan ke substrat modul sensor larutan diberiAPS yang digunakan sebagai triger untuk reaksipengikatan silang (cross-linking) pada PVA.Komposisi film yang digunakan dalam penelitianini didaftar pada Tabeli.

Deposisi film pada modul sensormenggunakan metode pencelupan (dip-coating).Modul sensor terbuat dari substrat PCB

(14 mm x 11 mm x 1 mm) dengan strukturelektroda dari film Cu-Ag. Elektroda yang dipilihberbentuk garis dengan empat jarak antarelektroda yang berbeda (0,25 mm; 0,50 mm;0,75 mm dan 1,50 mm). Struktur elektroda inidirancangsekaligussebagai bagian untuk menelitipengaruhjarak elektroda terhadap impedansi darifilm. Modul sensor dengan struktur elektrodanyadiperlihatkan secara diagram pada Gambar 2.

Karakterisasi dan Kalibrasi

Diaduk merata

Oiaduk merata

Dip coating ModulSensor

Gambar I. Diagram langkah preparasi film PYAuntuk sensor RH.

Modul sensor RH dikarakterisasi listrik

dengan menggunakan alat RCL meter FlukePM630o. Karakterisasi ini ditujukan untukmeneliti impedansi sensor sebagai fungsi daritegangan, fIekuensi,jarak elektrodaclanekivalensirangkaian listriknya. Tegangan triger yangdigunakan antara 1 Volt sampai dengan 2 Volt,dengan [rekuensi Ikolun, 10 kohm, 100 kohmdan 1Mohm. Hasil karakterisasi ini dimanfaatkan

Tabel J. Komposisi 1arutan bahan film sensor RH.

Air demineralPYANaCIAPS

Sensor (m\)(%)') (%)')(%)')(g) (g)(g)

1

143,60,500,60,08--

2145,40,750,60,08--

3147,11,000,60,08--

4148,91,250,60,08--

51414,32,000,60,08--

6143,60,500,60,080,10,02

7

145,40,750,60,080,10,02

8

147,11,000,60,080,10,02

9

148,91,250,60,080,10,02

10

1414,32,000,60,080,\0,02

') % terhadap air demineralI

172

Sensor Kelembaban Relatif Resistif Berbasis Film Polivini/ Alkohol (Nurlai/a)

e!ektrcda

10'

10'

§: 10'N

10'

10'

I.~ .....• ~:~

~" ~

~_ PVA+D

_- PVA+D+APS ~" ~

PVA+D+NaCI ' ~--:- PVA+D+NaCI+APS '.. .. "~

Gambar 2. Modul sensor RH denganelektroda garis. Pendeposisian film PYA-NaCIdilakukan dengan metode dip-coating.

untuk mempelajari sifat -sifat listrik dari film PVAdan modul sensor RH.

Kalibrasi sensor RH dilakukan dengan

mendisain chamber kalibrasi yang diberi larutan

garam jenuh yang sudah diketahui keadaan

kelembabarmya Chamber ini dapat mengkalibrasisensor sebanyak 5 modul clan dijaga pada kondisisuhu konstan 25°C. Garam-garam yang

digunakan untuk kalibrasi adalah MagnesiumChloride (RH = 32,78), Magnesium Nitrate(RH = 52,89), Sodium Cloride (RH = 75,291),

Potasium Chloride (RH = 84,34) dan PotasiumNitrade (RH = 93,58).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengaruh Komposisi Film

Riset pendahuluan dilakukan untuk

mempelajari respon sensor RH terhadap

komposisi film. Hasil karakterisasi pengamatan iniditunjukkan pada Gambar 3. Disini terlihat bahwa

komposisi bahan film sangat mempengaruhiresponnya terhadap kelembaban. Film yang hanya

mengandung PVAmenunjukkan irnpedansi yang

tinggi clan tidak berespon terhadap perubahan RHdari 30% sampai dengan 80%. Pada RH yang

lebih besar dari 80%, impedansinya barumengalami penurunan. Efek pemberianAPStidak

menunjukkan perubahan karakter dari film PVA

begitujuga pada film PVA-NaCl. Respon filmterhadap kelembaban terlihat dapat ditingkatkandengan baik ketika ada penambahan komponen

NaCl. Impedansi film PVA-NaCl segera berubah

ketika terjadi kenaikan kelembaban. Dati. RH 30%

30 40 50 60 70 80 90 100

RH(%)

Gambar 3. Pengaruh komposisi film terhadaprespon sensor pad a kelembaban. Air: 10 ml,PYA: 1,00 g, NaCI: 0,08 g dan APS: 0,02 g.Sensor diukur pad a frekuensi I kHz dantegangan triger I V.

sampai dengan 80% teIjadi penurunan impedansi

sampai 3 orde. Hasil ini menunjukkan bahwa film

PVA-NaCl merupakan kandidatyang baik untukdijadikan sebagai material sensitifbagi sensor RH.

Penurunan impedansi yang tajam padafilm PVA-NaCl ini telah diamati clan dimodelkan

sebelumnya [4]. Hasil pengamatan pada film

ini menunjukkan bahwa PVA-NaCl tidakmembentuk suatu polimer konduktor yang telah

dibuktikan dengan tidak terjadinya penurunan

impedansi pada keadaan kelembaban yangrendah. Kenaikan konduktivitas dari film PYA

pad a RH diatas 80% diterangkan dengan

peningkatan jumlah proton mobil yangsemakin banyak saat PVA mengikat air. Pada filmPVA-NaC!, ketika film mengikat air maka NaCl

menjadi terlarut dan membentuk ion Na+ dan Cl,dengan demikian terjadi penambahankonduktivitas yang berasal dari ion-ion terse but.Semakin banyak air yang terserap pada film maka

jwnlah ion semakin besar, sehingga irnpedansi filmsemakin rendah. Karena mobilitas ion Na+ lebih

besar dari pada ion Cl', maka sumbangankonduktivitas film ketika menyerap air lebih banyakdisebabkan oleh ion Na+..••.

Pada riset ini untuk selanjutnya dilakukan

pengarnatan pengaruh konsentrasi PVA terhadapsifat sensor RH. Semua film yang diteliti

mengandung NaCl dan komposisinya seperti-diberikan pada Tabell.\

173

Prosiding Simposium Nasional Polimer V ISSN 1410-8720

(a)10'

10'10,]

9=

.-~ 10'

SN 10'. Massa PYA dengan APSlo'oJ

-- 0,25 pram

__ 0,50 gram10'oJ

...•••.. 1,00 gram

-T- 1,25 gram•2,00 gram

10' 1,,,&,':J)~50 70eo90100

%RH

Pengaruh Konsentrasi PYA

Pengaruh konsentrasi PV A terhadapimpedansi film yang berrespon pada perubahanRH diperlihatkan pada Gambar 4. Gambar 4 juga

menunjukkan pengaruh keberadaanAPS padafilm terhadap karakteristik respon RH. Hasil ini

menunjukkan bahwa APS terlihat cenderung

menunmkan impedansi film. EfekAPSlebih terlihat

pada kondisi RH yang tinggi. Gejala ini dapatdimengerti sebab fimgsiAPS adaIah menyebabkan

terjadinya ikatan silang dari PV A, dengandemikian lintasan listrik ionik pembawa muatan

menjadi cenderung lebih pendek sehinggamenyebabkan impedansi film relatifIebih rendah.

Kecenderungan penurunan impedansi olehAPS

ditunjukkan lebihjelas pada Gambar 5.

..

Massa PYA tanpa APS-- 0,25 gram-- 0,50 gram

•• 1.00gram

-T-1,25 gram• 2,00 gram

-"-Ianpa APS__ dengan APS

0.• 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 22

Massa PYA (gram)

10'

Gambar 5. Pengaruh massa PYA padaimpedansi film. Diukurpada RH 75%, f= I kHzdan V = I volt.

c:N

10'

10'

Efek ko~ntrasi PYA pada sifat sensing filmmempunyai pola yang tidak teratur untuk film tanpa

APS. Kemun~an ini disebabkan struktur filmyang kurang stabIl sebab belum teIjadi pengikatansilang. Pada film dengan APS terlihat adanyakecenderungan peningkatan sensitivitas terhadap

RH untuk konsentrasi PYA yang semakin tinggi.Peningkatan sensitivitas terhadap RH diamati muIai

teIjadi pada konsentrasi I g. Oitinjau dari prosesdip coating, larutan yang mempunyai konsentrasiPYA yang tinggi lebih sulit untuk dideposisika

sebab viskositasnya yang tinggi. Berdasarkanfakta ini dan data hasil percobaan maka

konsentrasi PYA yang optimum untuk film adaIahsekitar 1 g.

Pengaruh Jarak Elektroda

Hasil pengamatan pengaruh jarak eIektroda

terhadap impedansi film diperlihatkan padaGambar 6. Terlihat bahwa semakin besar jarak

elektroda maka impedansi film semakin besar.Pada RH rendah impedansi film tidak terlalu

sensitif terhadap jaruk elektroda, tetapi padadaerah RH besar, impedansi film berubah linier

terhadap perubahan jarak elektroda. Hasil inisesuai dengan hubungan antara resistansi yangberubah linier terhadap panjang resistor,

90

\'~0\~----.••

7060

%RH

50

10'

10'~ 10'

g.N~ ,0'..J10'

,0'10'

:J)

(b)

Gambar 4. Pengaruh konsentrasi PYAterhadap sifat sensing sensor RH. (a)tanpa APS (b) deng:m APS. Pengukurandilakukan pada frekuensi = i kHz dantegangan triger 1 Volt.

IR=p­

A

dengan R = resistansi,p = resistivitas, 1= panjangresistor dan A = luas penampang resistor.

174

Sensor Kelembaban Relatif Resistif Berbasis Film Polivini/ Alkokol (Nurlai/a'J

1It

10'

Gambar 6. Pengaruh jarak elektroda padaresistansi film (PYA = 1g).

10'

10'10'g: N 10'

1a'10'10'

30

:~

:~f,"",",; "", ~------.-lk) ......••~~_10k ~ ••---1OOk •--1'-1M

40 50 60 70 eo 90 100

RH(%)

Gambar 7. Pengaruh tTekuensi terhadap sifatsensing RH (PYA = Ig).

~84.34• 93.58

RH(%)-- 32.78__ 52.89

...

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Jarak Elektroda (mm)

10'

10'

10'

0:: 10'

-

Pengukuran efek tegangan triger terhadap

impedansi film menunjukkan bahwa padategangan 1Volt sampai dengan 2 Volt, impedansifilm tidak dipengaruhi oleh tegangan.

Pengaruh Frekuensi

Film berbasis PVAini mempunyai resistansi

yang tinggi sehingga pengukuran dengan triger

tegangan DC tidak dapat dilakukan. Dengan

demikian pengukuran hams dilakukan dengantegangan AC. Konsekuensi dari metode

pengukuran iniJifutse~g film dapat terpengaruh

oleh ftekueJ1Sitriger.. Hasil pengamatan pengaruhfrekuensi t~;1mpedansi film ditampilkanpada Gambar 7.

Hasil ini menunjukkan impedansi film

pada kondisi RH rendah sangat dipengaruhi

oleh frekuensi. Semakin besar frekuensi triger

maka impedansi film semakin kecil. Pada kondisi

RH tinggi sebaliknya semakin tinggi frekuensi

maka impedansi film menjadi membesar. Analisisdengan menggunakan RCL meter memberikanmodel rangkaian ekivalen listrik dari film yang

terdiri dari komponen R dan C yang tersusun

paralel.

Pada kondisi RfI rendah diperolehkomponen kapasitansi C yang sensitifterhadapperubahan frekuensi, sedangkan komponenresistifR tidak terlalu sensitifberubah. Dengan

demikian dapat disimpulkan bahwa pada kondisiini dengan kenaikan frekuensi maka komponen

reaktansi kapasitifXc = lImC semakin mengecildanjauh lebih kecil dari komponen R sehingga

arus listrik lebih suka melewati Xc dari pada Ratau dengan kata lain komponen kapasitiflebihberperan pada kondisi RH yang rendah.

Pada daerah RH yang tinggi banyak air

yang terserap pada film dan digunakan NaCI untukterionisasi sehingga menyebabkan resistansi film

turun dengan drastis, maka arus akan lebih sukauntuk melewati komponen resistif, dengan

demikian yang komponen yang berperan pada

kondisi RH tinggi adalah komponen resistif. Hasil

ini ditunjukkan dengan impedansi film yang tidakterlalu sensitifterhadap ftekuensi.

Hasil pengukuran efek frekuensi juga

menunjukkan sensor RH baik digunakan padafrekuensi operasi 1kHz. Pada frekuensi ini

sensitivitas sensor teramati paling besar

dibandingkan pada frekuensi operasi yang

lebih tinggi.

KESIMPULAN

Film PVAmenunjukkan sensitivitas yang

baik terhadap kelembaban pada kondisi RH diatas 80%. Peningkatan sensitivitas film dapat

dilakukan dengan menambahkan komponen NaCI

sehingga film menjadi lebih sensitifterhadap RH

pada rentang yang lebih lebar. Pn penambahanAPS yang dapat menyebabkan ikatan silang pada

PYA menunjukkan efek kecenderunganpenurunan impedansi film dan peningkatankestabilan strukturnya. Semakin tinggi konsentrasiPYA sensitivitas film semakin besar, tetapi

mempunyai konsekuensi semakin sui it untuk

175

Prosiding Simposium Nasional Polimer V

dideposisidi modul sensorsebabfisikositaslanrtanyang semakin besar. Konsentrasi PVA sekitar 7%(= 1g) menunjukkan komposisi yang optimumuntuk dijadikan film sensitif. Frekuensi operasisensor untuk menghasilkan sensitivitas yangoptimum diperoleh sekitar 1kHz.

DAFfAR PUSTAKA

[1]. SAKAI Y., SADAOKA Y.,MATSUGUCHI M., Humidity SensorsBased on Polymer Thin Films, Sensors &Actuators B (35-36), (1996) 85-90

[2]. YANG MU-RONG, CHEN KG-SHAO,Humidity Sensors Using Polyvinil AlcoholMixed with Electrolytes, Sensors &Actuators B (49), (1998) 240-247

[3]. C.A. FINCH, Polyvinyl Alcohol­Development, Wiley, New York, (1992).Calibrationof Humidity Sensors, URL:http://www.smartec.nVpdflapphsl 002.pelf

[4]. CUK IMA WAN, AFDHAL M., FilmPolivinil Alkohol yang Didoping denganNaCI sebagai Sensor Kelembaban Relatif,Prosiding Kentingan Physics Forum 3th(2005)

[5]. HARSANYI, GABOR, Polymer Film inSensor Applications: a Review of PresentUses and Future Possibilities, Sensor

Review, 20 (2), (2000)[6]. Goepel W. (Editor), Sensors, a

Comprehensive Survey,Vol.3 Chemical andBiochemical Sensors Part II, VCH,

Weinheim, Gennany (1992)[7]. ROVETI, K. DENES, Choosing a

Humidity Sensor, a Review of ThreeTechnologies, Ohmic Instruments Co.,(2001)

[8]. KULWICKI, B.M., Humidity Sensor,Journal American Ceramic Society 74 [4]

(1991) 697-708[9]. WANG HUI, FENG CHANG-DONG,

SUN SHEN-LIANG, SEGRE C.U.,

JOSEPH R., Comparison ofConductometricHumidity-SensingPolymer,Sensors & A ctuatos B (40), (1998)211-216

176

/SSN 1410-8720

[lO].STORY P.R., GALIPEAU D.W.,MILEHAM R.D., A study of Low CostSensors for Measuring Low RelativeHumidity, Sensors &Actuators B (24-25),(1998) 681-685