Download Uji Sensitivitas Sensor Giant Magnetoresistance - HFI DIY

A. Aminudin / Uji Sensitivitas Sensor Giant Magnetoresistance terhadap Konsentrasi Larutan Fe
315
Uji Sensitivitas Sensor Giant Magnetoresistance terhadap Konsentrasi
Larutan Fe
A. Aminudin1,3), M. Djamal2), Suprijadi2), dan D. H. Tjahyono2)
1)
Program Studi Fisika, Sekolah Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesa 10 Bandung 40132
Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesa 10 Bandung 40132
3)
Jurusan Pendidikan Fisika, FPMIPA, Universitas Pendidikan Indonesia, Jl. Dr. Setiabudi No 229 Bandung 40154
2)
Abstrak – Telah dilakukan uji sensitivitas sensor Giant Magnetoresistance (GMR) terhadap konsentrasi larutan Fe.
Metode yang dilakukan adalah 1) membuat larutan Fe, 2) magnetisasi larutan Fe, dan 3) pengukuran dengan sensor
GMR. Tahap pembuatan larutan Fe menggunakan bubuk FeCl3 yang dilarutkan dalam aquades dengan variasi
konsentrasi. Magnetisasi larutan dilakukan dengan cara mengalirkan larutan FeCl3 melalui medan magnet 0,46 T. Hasil
pengujian menunjukkan adanya hubungan tegangan sensor GMR (VGMR) terhadap konsentrasi larutan Fe (k) dengan
persamaan VGMR = 0,117k + 0,250, yang memiliki sensitivitas 0,117 mV/mM dan zero drift 0,250 milivolt.
Kata kunci: Sensor GMR, Sensitivitas, Larutan Fe
Abstract – The sensitivity test of giant magnetoresistance sensor (GMR) towards Fe concentration has been conducted.
The method used is measuring low magnetic field of Fe solution using GMR sensors after magnetization of the solution.
Stage of preparation of the Fe solution is using FeCl3 powder dissolved in distilled water with various concentrations.
Magnetization of the solution is performed by means of FeCl3 solution flowing through a magnetic field of 0.46 T. The
test results show a relationship voltage of GMR sensor (VGMR) versus concentration of Fe (n) with VGMR = 0.117 n +
0.250, which has a sensitivity of 0.117 mV / mM and zero drift of 0.250 millivolts.
Keywords: GMR Sensor, Sensitivity, Fe Solution
I. PENDAHULUAN
Sensor GMR (giant magnetoresistance) merupakan
sensor yang bekerja berdasarkan efek perubahan
hambatan yang sangat besar ketika berada dalam medan
magnet luar. Sensor GMR memiliki beberapa kelebihan
jika dibandingkan dengan sensor lainnya, seperti
mempunyai sensitivitas yang tinggi, kestabilan
temperatur tinggi, konsumsi daya rendah, ukuran yang
relatif kecil, dan harga yang cukup murah serta sifat
magnetik dapat bervariasi dalam rentang yang sangat luas
[1]. Pada mulanya GMR dilaporkan pada tahun 1980-an
dari grup penelitian Perancis yang diketuai oleh Albert
Fert [2]. Sensor GMR dapat digunakan untuk mengukur
pergeseran, getaran, arus dan berbagai aplikasi biosensor.
Sensor GMR dapat menindra medan magnet lemah
sekitar 1,5 s.d 70 Oe pada level ukuran molekul. Medan
magnet lemah dapat terjadi pada beberapa molekul.
Beberapa molekul yang mudah dimagnetisasi adalah besi.
Besi (Fe) merupakan bahan yang bersifat ferromagnetik,
sehingga mudah dimagnetisasi. Oleh karena itu,
dilakukan pengujian sensitivitas sensor GMR terhadap
konsentrasi besi dalam larutan. Sensitivitas merupakan
salah satu karakteristik yang harus dimiliki setiap sensor.
Sensitivitas dapat ditentukan melalui perhitungan rasio
perubahan sinyal keluaran dari sensor terhadap perubahan
sinyal masukan ke sensor. Nilai sensitivitas digunakan
secara dominan untuk menentukan unjuk kerja sensor
atau alat ukur. Oleh karena itu, setiap produk sensor atau
alat ukur selalu mencantumkan nilai sensitivitasnya pada
datasheet atau pada buku petunjuk operasional.
II. LANDASAN TEORI
Fenomena GMR dalam multilayer feromagnetik dapat
dijelaskan dengan argumentasi Mott, yakni: (1)
konduktivitas listrik dalam logam dapat diuraikan dalam
hubungannya dengan dua saluran konduksi bebas; yang
pertama berhubungan dengan elektron dengan spin up
dan yang lain berhubungan dengan elektron dengan spin
down, dan (2) di dalam logam ferromagnetik laju
hamburan dari spin up dan spin down elektron-elektron
sangat berbeda.
Dalam Gambar 1, diperlihatkan lintasan elektron
dalam dua saluran spin (spin channels). Diasumsikan
lintasan bebas rata-rata elektron lebih besar dari ketebalan
lapisan dan arus mengalir dalam bidang lapisan. Untuk
magnetisasi paralel pada (c) elektron spin up melewati
lapisan tanpa dihamburkan sedangkan elektron ber-spin
down mengalami hamburan kuat dalam kedua lapisan
feromagnetik, menghasilkan resistivitas total kecil. Untuk
magnetisasi antiparalel pada (d), keduanya spin up dan
spin down mengalami hamburan kuat dalam satu lapisan
feromagnetik, sehingga resistivitas total dalam multilayer
menjadi tinggi.
Gambar 1. Ilustrasi transpor elektron dalam multilayer
feromagnetik untuk (a) magnetisasi paralel, (b)
magnetisasi antiparalel, (c) dan (d) model
rangkaian resistor untuk magnetitasasi paralel
dan antiparalel [3].
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
316
A. Aminudin / Uji Sensitivitas Sensor Giant Magnetoresistance terhadap Konsentrasi Larutan Fe
Berdasarkan model resistor, masing-masing
masing lapisan
logam
feromagnetik
dan
antarmukanya
dapat
diperlakukan sebagai resistor bebas. Dalam masingmasing
masing saluran konduksi spin, resistor dijumlahkan
secara paralel atau seri bergantung pada hubunggan
antara lintasan bebas rata-rata
rata elektron dan ketebalan
lapisan. Bila lintasan bebas rata-rata
rata elektron lebih
pendek dibandingkan
kan ketebalan lapisan, maka masingmasing
masing lapisan menghantar arus listrik secara bebas dan
resistor-resistor
resistor dijumlahkan secara paralel. Dalam
keadaan ini, resistansi dari susunan paralel dan antiparalel
adala sama dan akibatnya GMR nol. Agar GMR tidak
nol, maka lintasan bebas rata-rata
rata elektron haruslah
cukup panjang dibandingkan ketebalan lapisan.
Gambar 1a) dan 1b) menunjukkan bahwa satu sel
satuan terdiri dari dua lapisan feromagnetik
eromagnetik dan dua
lapisan non-feromagnetik.
feromagnetik. Sumbu kuantisasi spin dipilih
colinier pada arah magnetisasi. Resistivitas spin
minoritas dan spin mayoritas disimbolkan dengan ρ↑ dan
ρ↓. Resistansi dari dua lapisan yang terdiri dari lapisan
la
feromagnetik (FM) dan non-magnetik
magnetik (NM), untuk sal
salah
satu saluran konduksi adalah
R↑↓ = ρNM dNM + ρ↑↓ dFM
(1)
dengan ρNM dan dNM adalah resistansi dan ketebalan
lapisan pemisah non-magnetik, dFM adalah ketebalan
lapisan feromagnetik. Resistansi antarmuka antara lapisan
feromagnetik dan lapisan pemisah adalah saling
meniadakan. Resistansi total untuk susunan paralel
(Gambar 1.c) diberikan oleh persamaan (2)
.
(2)
Sedangkan resistansi total untuk
tuk susunan antiparalel
(Gambar d) adalah
(3)
dengan N adalah jumlah sel satuan dalam multilayer.
Dengan asumsi resistansi
si lapisan pemisah non-magnetik
non
lebih kecil dibandingkan resistansi
nsi lapisan feromagnetik,
maka
(3)
.
dengan α parameter asimetrik spin, yaitu
Untuk simetri yang besar, yakni α >> 1 atau α << 1,
akan diperoleh nilai GMR yang besar. Bila tidak ada
asimetri spin dalam konduktivitas dari kedua saluran
spin (α = 1), maka GMR akan nol. Dalam eksperimen
nilai MR diperoleh dengan membandingkan perubahan
resistansi tanpa medan magnet dan dalam medan
magnet dengan resistansi tanpa medan magnet, yang
dirumuskan dengan
.
Gambar
2.. Pengaruh medan magnet terhadap perubahan
resistansi (pertama
ertama kali diumumkan dalam [2]
[2]).
III. METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang dilakukan
kan adalah secara
eksperimen. Untuk merealisasikan eksperimen yang
dimaksud, peneliti menggunakan konsep pengukuran
aliran fluida. Secara umum mekanisme pengukuran
konsentrasi obyek dapat lihat pada Gambar 3 yang
meliputi tiga bagian, yaitu: bagian penggangu, obyek
yang diukur, dan alat ukur. Interaksi peng
pengganggu dengan
obyek menghasilkan perubahan parameter ukur yang
selanjutnya disensing oleh sensor pada alat ukur.
Gambar 3. Mekanisme pengukuran obyek.
Pada penelitian ini, pengganggu adalah medan
magnet, obyek yang diukur adalah larutan FeCl3 dan alat
ukurnya menggunakan sensor GMR.
Penelitian yang dilakukan meliputi
iputi beberapa tahap
yaitu:
kan alat dan bahan yaitu membu
membuat
Tahap 1 : mempersiapkan
statif, wadah larutan, memasang selang, magnet,
gauss meter, sensor GMR votmeter dan larutan
FeCl3.
Tahap 2 : mempersiapkan
sampel yaitu melakukan
penimbangan sampel FeCl3 dengan variasi 1 g
mulai 1 g sampai dengan 10 g. Kemudian
membuat larutan Fe dengan cara melarutkan
FeCl3 yang sudah ditimbang pada aquades
sampai volumenya menjadi 1 liter.
(a)
(4)
Perubahan resistansi
si material dalam merespon medan
magnet luar dapat dilihat pada Gambar 2.
(b)
(c)
Gambar 4. (a) Sampel larutan FeCl3, (b) Statif percobaan, dan
(c) Sensor GMR.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI
XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
A. Aminudin / Uji Sensitivitas Sensor Giant Magnetoresistance terhadap Konsentrasi Larutan Fe
Tahap 3: melakukan sensing medan magnet larutan yang
dialirkan melalui selang menggunakan sensor
GMR. Pengujian ini dilakukan dengan
konsentrasi larutan yang bervariasi. Skema
pengujian diperlihatkan dalam Gambar 5.
Pengujian sensitivitas dilakukan dengan cara
melewatkan larutan Fe melalui selang dengan
diameter
lubang
1,5
mm.
Kemudian
dimagnetisasi dengan magnet permanen 0,46 T.
Pada posisi 30 cm dari magnet dipasang sensor
GMR yang digunakan untuk mensensing
konsentrasi Fe.
V(mV)
0.34
317
Tegangan sensor GMR versus konsentrasi Fe
0.33
0.32
0.31
0.3
0.29
V = 0,117 n + 0,250
0.28
0.27
0.26
0.25
0.24
n Fe(mM)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
Gambar 6. Tegangan sensor GMR versus konsentrasi Fe.
Gambar 5. Pengujian tegangan keluaran
terhadap perubahan konsentrasi.
sensor GMR
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengukuran tegangan sensor GMR dengan
variasi konsentrasi Fe terlihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Data sensing sensor GMR terhadap konsentrasi
larutan Fe.
Fe (mM)
V(mV)
0,06
0,265
0,12
0,267
0,19
0,269
0,25
0,276
0,31
0,285
0,37
0,291
0,43
0,297
0,50
0,308
0,56
0,32
0,62
0,328
Gambar 6 menunjukkan grafik hubungan antara
tegangan sensor GMR V(mV) terhadap konsentrasi Fe
dalam mili molar (mM). Berdasarkan grafik ini, semakin
banyak konsentrasi Fe diikuti dengan kenaikan tegangan
yang terukur oleh sensor GMR. Kecenderungan grafik
tegangan sensor terhadap konsentrasi Fe relatif linier
dengan persamaan linier V = 0,117n + 0,250, yang
memiliki sensitivitas 0,117 mV/mM dengan pergeseran
0,250 milivolt. Hal ini berarti setiap perubahan
konsentrasi Fe 1 milimol akan diikuti perubahan
tegangan sensor sebesar 0,11 mV. Nilai pergeseran 0,250
milivolt disebabkan adanya pengaruh noise dari luar.
Pengujian ini akan lebih teliti jika rangkaian sensor
dilengkapi dengan filter yang baik.
V. KESIMPULAN
Hasil pengujian menunjukkan adanya hubungan
tegangan sensor GMR (VGMR) terhadap konsentrasi
larutan Fe (k) dengan persamaan VGMR = 0,117k + 0,250,
yang memiliki sensitivitas 0,117 mV/mM dan zero drift
0,250 milivolt.
PUSTAKA
[1]. M. Djamal, Ramli, S. Viridi, and Khairurrijal.,
Development of A New Giant Magnetoresistance Base on
Organic Material, Proceedings of ICICI-BME 2011, 372375.
[2]. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. ,Fert, N. V. Dau, F. Petroff,
F. Etienne, A. Creutz., A. Friederich, Chazalas, Giant
Magnetoresistance of (001) Fe/(001) Cr Magnetic
Superlattices, J,Phys. Rev. Lett. 68, 1988, pp.2472.
[3]. M.
Djamal,
Ramli,
dan
Khairurrijal,
Giant
Magnetoresistance Material and Its Potential for Biosensor
Applications, ICICI-BME Proceedings, Bandung, 2009d,
19-24.
TANYA JAWAB
Agus S.W., LIPI
? Apakah kalau magnetnya dihilangkan, hasilnya seperti
apa?
A. Aminudin, ITB
@ Tidak ada pengaruh terhadap konsentrasi Fe.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823