Teknologi Sensor Kimia ~Dari Elektrolit Padat sampai Teknologi Nano~

Salah satu isyu besar dalam pengembangan IPTEK dan Industri di berbagai belahan dunia saat ini adalah permasalahan yang berkenaan dengan isyu lingkungan hidup. Isyu ini menyangkut bagaimana kondisi lingkungan yang ada saat ini dapat terus terkontrol sehingga tidak berbahaya bagi manusia maupun makhluk hidup lainnya. Permasalahan ini mengemuka ketika para peneliti mendapati bahwa tingkat penceraman udara akibat berbagai kegiatan industri dan rumah tangga sudah mencapai ambang batas yang membahayakan. Sebuah wacana baru bagaimana membagun dunia yang berkelanjutan pun menjadi bahasan yang sangat penting untuk dirumuskan. Sebuah pertemuan tingkat dunia bahkan digagas untuk membuat kesepakatan terhadap setiap negara di dunia tentang sejauh mana kandungan zat buang yang boleh diproduksi oleh masing masing negara, yang dikenal dengan Kyoto protocol. Dalam protocol yang ditandatangani oleh sekitar 180 negara pada Desember 1997 ini disepakati bahwa negara-negara pemroduksi gas berbahaya (yang dikenal dengan greenhouse gas) diharuskan untuk mengurangi emisinya hingga 5.2% hingga tahun 2012 [1]. Gas barbahaya ini meliputi Karbon Dioksida (CO2), Methane (CH4), Nitrit Oksida (NO2), dan Ozone (O3) ini pada kenyataanya banyak diproduksi oleh industri di negara-negara maju seperti US, negara di Uni Eropa, Jepang, Rusia dan sebagainya. Dengan semakin meningkatnya isyu lingkungan ini, tidak mengherankan jika di negara-negara industri penelitian tentang kesehatan lingkungan menjadi penelitian yang mendapat perhatian utama di samping energi dan jaringan informasi.

Lebih jauh, kondisi di atas membuat meningkatnya kepedulian para ilmuwan untuk meneliti alat yang mampu mendeteksi zat zat (baik gas maupun cairan) yang berbahaya bagi lingkungan. Alat yang mampu melakukan fungsi seperti itu dikenal dengan sebutan sensor. Artikel singkat ini mencoba memberikan gambaran tentang perkembangan teknologi dari salah satu bentuk sensor, yaitu sensor kimia. Sebelum masuk kepada bahasan mengenai sensor kimia, akan diberikan penjelasan singkat tentang teknologi sensor secara umum.

Pengertian Umum Sensor

Sebenarnya sensor secara umum didefinisikan sebagai alat yang mampu menangkap fenomena fisika atau kimia kemudian mengubahnya menjadi sinyal elektrik baik arus listrik ataupun tegangan [2]. Fenomena fisik yang mampu menstimulus sensor untuk menghasilkan sinyal elektrik meliputi temperatur, tekanan, gaya, medan magnet cahaya, pergerakan dan sebagainya. Sementara fenomena kimia dapat berupa konsentrasi dari bahan kimia baik cairan maupun gas [2]. Dengan definisi seperti ini maka sensor merupakan alat elektronik yang begitu banyak dipakai dalam kehidupan manusia saat ini. Bagaimana tekanan jari kita pada key board computer, remote televisi, lantai lift yang kita tuju, menghasilkan perubahan pada layar computer atau televisi, serta gerakan pada lift adalah contoh mudah sensor secara luas. Atau sensor temperatur yang banyak digunakan dalam mengontrol temperatur ruangan pada AC. Demikian pula sensor pengukur cairan oksigen ataupun gas lainnya yang sering digunakan di rumah sakit. Hampir seluruh kehidupan sehari hari saat ini tidak ada yang tidak melibatkan sensor. Tidak mengherankan jika sensor (atau juga ada yang menyebutnya dengan transducer) banyak disebut juga sebagai panca indera-nya alat elektronik modern. Sesuai dengan definisi ini maka sesungguhnya sensor merupakan suatu cabang ilmu yang sangat luas cakupannya. Secara garis besar sensor dapat dibagi menjadi 2 bagian yaitu sensor fisika dan sensor kimia sesuai dengan parameter yang akan dideteksinya seperti yang telah dijelaskan di atas.

Sensor Kimia

Seperti juga definisi umum tentang sensor di atas, sensor kimia adalah alat yang mampu menangkap fenomena berupa zat kimia (baik gas maupun cairan) untuk kemudian diubah menjadi sinyal elektrik. Seiring dengan kesadaran yang meningkat terhadap masalah lingkungan, perkembangan pesat dari industri yang berpengaruh pada gas emisi membuat permintaan akan sensor menjadi meningkat drastis. Pasar sensor yang pada tahun 1998 berjumlah 1.5 milyar US $, pada tahun 2010 diprediksikan akan meningkat mencapai 2.5 milyar US $ [5]. Meskipun cakupan dari sensor kimia ini sangat luas meliputi seluruh zat-zat kimia, namun dalam perkembangannya yang sangat menonjol adalah sensor yang berkenaan dengan gas gas kimia seperti NO2, CO2, VOCs, Oksigen. Tidak heran jika banyak para ilmuwan yang juga menyebut sensor kimia ini dengan sebutan sensor gas.

Secara umum model sensor gas atau sensor kimia meliputi bagian penerima yang memiliki sensitifitas terhadap zat yang akan dideteksi yang dikenal dengan hidungnya sensor (sensitive layer/ nose parts/chemical interface). Bagian berikutnya adalah transducer, yaitu bagian yang mampu mengubah hasil deteksi tersebut menjadi sinyal elektrik. Skema sensor kimia dapat dilihat pada gambar 1. Bagian penerima berfungsi menyeleksi dan mengubah sifat kimia yang dideteksinya menjadi energi yang bisa diukur oleh bagian transducer. Sedangkan bagian transducer berfungsi mengubah energi yang membawa sifat sifat kimia tersebut menjadi sinyal elektrik. Jika bagian penerima merupakan bagian yang mampu membedakan zat yang akan dikenalinya, maka bagian transducer ini bukanlah bagian yang mampu membedakan sifat sifat kimia.

Berdasarkan teknologi yang digunakan untuk mengubah zat kimia yang dideteksi menjadi sinyal elektrik, terdapat beberapa jenis sensor yaitu jenis sensor optik, sensor elektrokimia, sensor elektrik, dan sensor sensiitif berat. Karakteristik sensor ditentukan dari sejauh mana sensor tersebut memiliki kemampuan yang baik dalam mengenali zat yang ingin dideteksinya. Kemampuan mendeteksi zat tersebut ini meliputi:

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 NO2 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 [4].

2. Selektifitas, yaitu sejauh mana sensor memiliki kemampuan menyeleksi gas atau cairan yang ingin dideteksinya. Sifat ini tidak kalah penting dengan senitifitas 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. Di samping ke empat sifat di atas, terdapat dua sifat lain yang juga tidak kalah pentingnya terutama bagi sensor komersial yaitu konsumsi energi yang dibutuhkan untuk menjalankan sensor tersebut. Dan yang kedua adalah berapa harga yang dibutuhkan untuk memproduksi sensor ini. Sudah barang tentu tingkat konsumsi energi yang rendah serta harga yang murah menjadi harapan bagi industri sensor disamping sifat sifat sensor yang baik.

Gambar 1. Skema sensor kimia

Dari Elektrolit Padat Sampai Teknologi Nano

Sebagaimana telah dipaparkan di bagian atas bahwa terdapat beberapa tipe sensor berdasarkan jenis teknologi yang digunakannya. Teknologi 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 dengan disekat oleh elektroda berpori platinum (2). Sensor jenis ini sangat handal dan biasanya digunakan pada temperatur tinggi untuk mengobtrol 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 (gambar 2) [5].

Metode sensor lainnya 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 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. Jenis sensor kimia lainnya adalah model sensor 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).

Teknologi sensor lainnya yang juga tengah banyak digeluti oleh para penteliti di bidang sensor adalah sensor yang berdasarkan metal oksida atau semikonduktor. 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. Kunci dari teknologi semikonduktor bagi aplikasi dalam dunia sensor adalah jumlah dan mobilitas dari pembawa muatan yang terdapat dalam bahan semikonduktor sangat sensitif tidak hanya terhadap paramater fisik seperti temnperatur, cahanya atauapun tekanan, tetapi juga sangat sensitive terhadap paramter kimia. Dengan sifat seperti ini maka sebuah bahan semikonduktor yang dilalui oleh zat kimia tertentu akan mengalami perubahan besaran konduktifitasnya yang jika diubah dalam proses berikutnya mampu mengeluarkan besaran kuantitatif. 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 [6]. Atas temuan yang spektakuler ini (kedua peneliti ini juga berhasil mengugkap sifat sifat lain semikonduktor) kedua peneliti tersebut bersama dengan William Shokley mendapat hadiah nobel bidang Fisika pada tahun 1956. 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.

Teknologi nano yang berkembang sangat pesat pada dekade terakhir ini memiliki pengaruh yang sangat besar pada hampir semua bidang tidak terkecuali pada sensor kimia ini. Teknologi nano diyakini mampu meningkatkan performansi sensor sampi berlipat lipat. Seorang professor pada University of California Davis Frank Osterloh menyatakan bahwa material pada ukuran nano akan sangat tepat untuk diaplikasikan pada sensor kimia mengingat sifat fisik material pada ukuran tersebut akan sangat sensitif jika bersentuhan dengan gas tertentu. Osterloh bersama dengan mahasiswa membuktikan pernyataannya itu dalam presentasinya pada ACS Meeting ke 228 ketika litium, molybdenum dan selenium pada ukuran level nano yang dibuatnya mampu meningkatkan sesnsitifitas hingga 200 kali dari material yang bukan dalam ukuran nano. Partikel bahan semikonduktor yang berukuran nano juga menyebabkan luas bidang sentuhnya menjadi berlipat lipat yang menyebabkan sentuhan permukaan dengan zat kimia yang dideteksinya akan menjadi jauh lebih luas, yang diharapkan mampu meningkatkan sensitiftas sensor tersebut.

Gambar 2. Perbandingan penggunaan beberapa jenis sensor komersial

Ukuran yang kecil dari bahan berukuran nano ini selain menghasilkan sensitifitas yang tinggi, juga memungkinkan dibuatnya ukuran yang lebih kecil dari sensor ini. Kondisi ini memungkinkan dihasilkannya model sensor tersusun dimana satu buah sensor tidak hanya terdiri dari satu bagian yang sensitive terhadap satu zat melainkan terdiri dari beberapa bahan yang sensitif terhadap beberapa zat kimia. Sensor model ini yang menjadi cita cita bagi para peneliti sensor kimia akan mampu mendeteksi bahan bahan kimia lebih dari satu jenis. Dalam satu buah chip yang berukuran kecil akan mampu dideteksi beberapa jenis gas. Model sensor seperti ini dikenal dengan sensor pintar (smart sensor) seperti yang terlihat pada gambar 3. Prestasi yang dihasilkan dari rekayasa pada teknologi nano pada kenyataanya membuat mimpi memperoleh smart sensor yang handal akan lebih mudah diwujudkan. Mengingat pentingnya teknologi sensor ini disamping permintaan dari pasar yang terus meningkat, sudah selayaknya juga Indonesia mulai membangun penetilian yang berkenaan dengan dunia sensor ini dan juga dengan teknologi nano. Dengan tingginya keterlibatan industri dalam dunia sensor ini bukannya hal yang mustahil berbagai penelitian tentang sensor akan dapat bekerja sama dengan dunia industri. Adalah sebuah keniscayaan bahwa dengan dikuasainya teknologi nano serta aplikasinya bagi sensor kimia, memungkinkan bagi kita untuk bersaing dalam kompetisi di bidang sensor kimia di masa datang.

Referensi:

1. http://www.ec.gc.ca/climate/kyoto-e.html

2. Adrian Venema, Principles of Chemical Microsensors, Lecture Notes at Delft University of Technology, 1998.

3. J. J. Carr, Sensors and Circuit, PTR Prentice-Hall, 1993.

4. Brian Yuliarto, H. S. Zhou, T. Yamada, I. Honma, K. Asai, CHEMPHYSCHEM, 2004, 5, 261.

5. S.A. Hooker, Nanotechnology advantegs applied to gas sensor development, The Nanoparticles Confrence Proceeding, 2002.

6. W.H. Brattain and J. Bardeen, Surface properties of Germanium, Bell Syst Tech. J., 32 (1953).

Sumber : Dimensi vol. 6 no. 2 edisi Januari 2005 Warta Sains dan Teknologi ISTECS-Japan

Diakses oleh : arifin_pararaja


Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s