DESAIN DAN SIMULASI SENSOR MIKROBOLOMETER …

DESAIN DAN SIMULASI SENSOR MIKROBOLOMETER

SEBAGAI APLIKASI UNTUK INSPEKSI INSTALASI LISTRIK

Dr. Ir. Agus Santoso Tamsir, MT dan Dwi Kencono Putro

Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

[email protected]

Abstrak

Bolometers adalah termal inframerah sensor yang menyerap radiasi elektromagnetik sehingga meningkatkan suhu. Kenaikan suhu yang dihasilkan adalah kenaikan fungsi dari energi radiasi yang mendorong atau mengenai bolometer dan diukur berdasarkan resistansinya. Mikrobolometer dapat diartikan juga sebagai array dari sensor yang sangat sensitif dalam mendeteksi panas terhadap radiasi inframerah. Pada skripsi ini akan mensimulasikan satu pixel microbolometer dengan menggunakan program IntelliSuite. Mikrobolometer yang didisain akan digunakan sebagai alat inspeksi instalasi listrik, di dalam satu pixel mikrobolometer ini dilengkapi dengan thermistor NTC (Negative Temperature Coeficient), sedangkan rangkaian yang digunakan pada disain microbolometer ini yaitu rangkaian dengan menggunakan arus konstan.

Kata kunci : Mikrobolometer, thermistor NTC, infrared, simulasi

Abstract

Bolometers are thermal infrared sensor that absorbs electromagnetic radiation thereby increasing the temperature. The resulting temperature increase is the increase in the function of the radiation energy that drives or the bolometer and the measured resistance. Microbolometer can be interpreted also as an array of sensors that are very sensitive in detecting the infrared heat radiation. At this skripsi will simulate one pixel microbolometer using IntelliSuite program. Microbolometer which will be designed to be used as an electrical installation inspection, this microbolometer complete with a thermistor NTC (Negative Temperature coefficient),while the circuit used in the circuit design of this microbolometer using constant current. Keywords : Microbolometer, thermistor NTC, infrared, simulation

Desain dan asimulasi..., Dwi Kencoro Putro, FT-UI, 2013

1. PENDAHULUAN

Meningkatnya akan kebutuhan teknologi dalam berbagai bidang industri dan

kebutuhan dalam lingkup pembangkit tenaga listrik beberapa tahun ini berkembang sangat

pesat. Berkembangnya teknologi saat ini memaksa para peneliti agar dapat terus

mengembangkan dan memaksimalkan pemanfaatan teknologi yang telah ada. Khususnya

pada bidang mikroelektronika dalam pemenuhan kebutuhan akan perawatan teknologi jala-

jala listrik, baik pada instalasi listrik rumah tangga hingga pembangkit tenaga listrik. Inovasi

yang terus-menerus dalam bidang mikroelektronika sangat diperlukan untuk mendapatkan

divais yang hasil kinerja lebih tinggi dan memiliki ukuran yang lebih kecil.

Teknologi yang akan dibahas kali ini ialah mikrobolometer, teknologi ini banyak

sekali kegunaannya sesuai dari kebutuhan dan desain yang dirancang. Salah satu aplikasi dari

teknologi mikrobolometer ini yaitu digunakan untuk inspeksi instalasi listrik.

Tujuan dari skripsi ini adalah mendesain mikrobolometer dengan cara mengubah

bahan yang digunakan dengan menggunakan program simulasi InteliSuit, kemudian dari

bahan tersebut akan dipilih mana dimensi yang lebih cocok digunakan agar mikrobolometer

bekerja lebih baik. Skripsi ini juga ditulis sebagai salah satu syarat untuk mendapat gelar

Sarjana Teknik jurusan Teknik Elektro dari Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Desain mikrobolometer yang dibuat menggunakan termistor, jika suhu atau temperatur yang

mengenai termistor ini berubah maka terjadi perubahan nilai resistance. Mikrobolometer ini

akan disuplai dengan menggunakan arus konstan, dengan berubahnya resistasi pada

mikrobolometer maka secara tidak langsung tegangan akan berubah. Gelombang radiasi

infrared yang digunakan yaitu Long Wave Infra Red (LWIR) pada rentang 5 µm – 12 µm.

Pada skripsi ini penulis akan membatasi masalah pada bahan apa yang baik

digunakan serta dimensi yang sesuai dari mikrobolometer pada teknologi MEMS (Micro

Electronic Mechanical System) ini.

Metodologi penelitian yang digunakan penulis adalah studi pustaka serta melakukan

perancangan dan simulasi dengan menggunakan software MEMS IntelliSuit. Selain itu penulis

juga melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing mengenai dasar teori dan sistematika

pengerjaan.


2. DASAR TEORI

Radiasi elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan medan magnet yang

berosilasi dan merambat lewat ruang dan membawa energi dari satu tempat ke tempat yang

lain. Cahaya tampak adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik. Penelitian teoritis

tentang radiasi elektromagnetik disebut elektrodinamik, sub-bidang elektromagnetisme.

Panjang gelombang memiliki hubungan inverse terhadap frekuensi f, jumlah puncak

untuk melewati sebuah titik dalam sebuah waktu yang diberikan. Panjan gelombang sama

dengan kecepatan jenis gelombang dibagi oleh frekuensi gelombang. Ketika berhadapan

dengan radiasi elektromagnetik dalam ruang hampa, kecepatan ini adalah kecepatan cahaya c,

untuku sinyal (gelombang) di udara, ini merupakan kecepatan suara di udara. Hubungannya

adalah: [7]

Teori Planck Radiasi Benda Hitam, dalam sembarang kasus dimana suatu benda hitam

(blackbody) mengemisikan radiasi, maka distribusi spektrum radiasi sebagai fungsi panjang

gelombang dapat dinyatakan dalam persamaan radiasi Planck, yaitu: [10]

Wλ merupakan daya radiasi yang dipancarkan, h ialah planck's constant (6.626 x 10-34 Js), c

merupakan kecepatan cahaya (2.9979 x 108 m/s), λ ialah panjang gelombang (µm), k ialah

Boltzmann's constant (1.381 x 10-23 J/K), dan T adalah temperature.

Sensor Infrared merupakan radiasi elektromagnetik dari panjang gelombanglebih

panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasigelombang radio. Namanya

berarti "bawah merah" (dari bahasa Latin infra, "bawah"), merah merupakan warna dari

cahaya tampak dengan gelombang terpanjang.

Spektrum pada daerah infrared biasanya masih dibagi lagi menjadi subdaerah sebagai

berikut:

( )[ ] 1/52 12−−= kTchehcW λ

λ λπ

f

c=λ


1. Near Infra Red (NIR) pada rentang 700 nm to 1 µm

2. Short Wave Infra Red (SWIR) pada rentang 1-3 µm

3. MidWave Infra REd (MWIR) pada rentang 3-5 µm

4. Long Wave Infra Red (LWIR) pada rentang lebih dari 5µm

Detektor termal bereaksi terhadap radiasi termal optik. Detektor ini bersifat menyerap

radiasi sebagai panas kemudian kenaikan panasnya akan diubah menjadi sinyal-sinyal output.

Detektor termal bersifat menyerap semua panjang gelombang inframerah, Respon

spektrumnya (Spectral response) dibatasi oleh sistem optiknya. Detektor termal memiliki

waktu respon yang lambat tetapi detektor spektral berupa broadband dan dapat dioperasikan

pada suhu kamar.

Cara kerja dari mikrobolometer yaitu setelah elemen detektor menyerap radiasi

elektromagnetik, maka gradien suhu berfungsi sebagai kekuatan pendorong untuk aliran

panas, pada kondisi ini tertangkap gelombang infrared. Gelombang infrared ini akan masuk

ke rongga udara pada bolometer yang mengakibatkan terjadinya reflector secara terus

menerus, yang berakibat berubahnya resistansi yang disebabkan oleh panas yang terdeteksi.

Banyak bahan material yang dapat digunakan untuk membuat mikrobolometer, bahan

tersebut terdiri dari bahan metal/konduktor dan semikonduktor. Bahan inilah yang akan

sangat berpengaruh dalam mendesain mikrobolometer, dengan mengfariasikan penggunaan

bahan ini dapat diperoleh kualitas sensor mikrobolometer yang berbeda-beda.

Thermistor singkatan dari thermal sensitive resistor yakni suatu jenis sensor yang sensitive

terhadap perubahan suhu. Prinsip kerjanya adalah memberikan perubahan resistansi yang

sebanding dengan perubahan suhu. Thermistor ini dibentuk melalui oksida logam campuran,

kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel. [8] Berdasarkan koefisien suhunya, thermistor

dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu NTC (Negative Temperature Coeficient) dan PTC (Positive

Temperature Coeficient).


3. METODOLOGI PERANCANGAN

Pada seminar ini, penulis merancang sebuah mikrobolometer yang kedepannya akan

digunakan sebagai alat inspeksi instalasi listrik. Pengaturan temperatur sangat diperlukan

untuk mengetahui seberapa besar displacement dan stress yang terjadi pada sensor

mikrobolometer sehingga diperoleh hasil yang sesuai kebutuhan. Frekuensi sangat

berpengaruh dalam mengidentifikasi mikrobolometer ruang kerja dari mikrobolometer yang

akan didesain. Berikut ini merupakan flowchart metodologi perancangan.

Gambar 3.1 Flowchart metodologi perancangan


4. DESAIN DAN ANALISIS MIKROBOLOMETER IIL (INSPEKSI INSTALASI

LISTRIK)

validasi sesuai dengan

mikrobolometer sesuai dengan kebutuhan penulis yaitu sebagai alat inspeksi instalasi listrik,

desain yang dibuat akan menggunakan wavelength elektromagnetik pada rentang 5

12µm, yang merupakan spe

frekuaensi antara 60 THz – 25 THz.

Agar mikrobolometer dapat bekerja pada suhu yang tinggi maka digunakan bahan

yang tahan terhadap panas, bahan ini banyak digunakan untuk sensor temperature. Di sini

penulis membandingkan dua tipe mikrobolometer dengan empat variasi

berbeda-beda untuk menentukan baiknya kerja dari mikrobolometer ini.

Absorbent yang akan didesain yaitu berbentuk kotak dan lingkaran dengan luas

absorbent kotak sebesar 4x4µm, dan 2x2

5µm. Dengan demikian total design yang akan dibandingkan yaitu sebanyak enam

mikrobolometer.

Langkah awal yang harus diperhatikan sebelum melakukan simulasi yaitu menentukan

mesh yang digunakan. Mesh pada desain mikrobolometer ini mengacu pada seberapa telitinya

hasil dari simulasi device yang diperoleh.

Gambar 4.1 Grafik mesh untuk menentukan ketelitian analisa

0

5

10

0

Ke

teli

tia

n

DESAIN DAN ANALISIS MIKROBOLOMETER IIL (INSPEKSI INSTALASI

validasi sesuai dengan yang diharapkan maka selanjutnya penulis akan mendesain


desain yang dibuat akan menggunakan wavelength elektromagnetik pada rentang 5

m, yang merupakan spektrum pada daerah Long Wave Infra Red

25 THz.



lis membandingkan dua tipe mikrobolometer dengan empat variasi

beda untuk menentukan baiknya kerja dari mikrobolometer ini.

yang akan didesain yaitu berbentuk kotak dan lingkaran dengan luas

µm, dan 2x2µm, sedangkan diameter absorbent

Dengan demikian total design yang akan dibandingkan yaitu sebanyak enam


h yang digunakan. Mesh pada desain mikrobolometer ini mengacu pada seberapa telitinya

hasil dari simulasi device yang diperoleh.


5 10

Mesh (μm)

Ketelitian

DESAIN DAN ANALISIS MIKROBOLOMETER IIL (INSPEKSI INSTALASI

yang diharapkan maka selanjutnya penulis akan mendesain


desain yang dibuat akan menggunakan wavelength elektromagnetik pada rentang 5µm –

Long Wave Infra Red (LWIR) dengan



lis membandingkan dua tipe mikrobolometer dengan empat variasi absorbent yang

yang akan didesain yaitu berbentuk kotak dan lingkaran dengan luas

absorbent lingkaran sebesar

Dengan demikian total design yang akan dibandingkan yaitu sebanyak enam


h yang digunakan. Mesh pada desain mikrobolometer ini mengacu pada seberapa telitinya



Pada gambar 4.2 menunjukkan desain mikrobolometer IIL tipe I tampak atas

(a) (b) (c)

Gambar 4.2 Desain mikrobolometer IIL tipe I tampak atas (a) mikrobolometer absorbent

kotak 4x4µm (b) mikrobolometer absorbent kotak 2x2µm (c) mikrobolometer absorbent

lingkaran diameter 5µm

Gambar 4.3 menunjukkan desain mikrobolometer IIL tipe L tampak atas. Dengan tiga

dimensi absorbent MoS2 yang berbeda.

(a) (b) (c)

Gambar 4.3 Desain mikrobolometer IIL tipe L tampak atas (a) mikrobolometer absorbent

kotak 4x4µm (b) mikrobolometer absorbent kotak 2x2µm (c) mikrobolometer absorbent

lingkaran diameter 5µm


4.1 Simulasi dan Analisis Desain Mikrobolometer IIL

1. Mikrobolometer IIL tipe I

Dari hasil simulasi mikrobolometer IIL tipe I dengan absorbent kotak 4x4µm dan

2x2µm diperoleh sebaran temperature maksimal yang sama yaitu pada suhu 20.0385°C,

sedangkan pada absorbent lingkaran dengan diameter 5µm temperature maksimal yang sama

yaitu pada suhu 20.0241°C (lihat gambar Gambar 4.4 dan 4.5), cantilever dari

mikrobolometer ini memiliki suhu 20.0048°C. Pada Gambar 4.4 merupakan hasil temperatur

dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent

berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama pada desain ini

menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4.

Bahan emas yang digunakan disini merupakan penyangga sekaligus sebagai

konduktor yang nantinya berfungsi sebagai jalur rangkaian listrik, dimana pada kondisi ini

mikrobolometer memperoleh inputan berupa temperature yang mempengaruhi displacement

dan stress dari mikrobolometer IIL ini.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.4 Temperatur mikrobolometer IIL tipe I absorbent MoS2 dan Si3N4 (a)

mikrobolometer absorbent kotak 4x4µm (b) mikrobolometer absorbent kotak 2x2µm (c)

mikrobolometer absorbent lingkaran diameter 5µm

Hasil temperatur pada absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm dengan

bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4 memiliki suhu maksimum sebesar

20.0385°C. Kemudian pada absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 2x2µm dengan

bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4 memiliki suhu maksimum yang

sama dengan absorbent kotak 4x4µm sebesar 20.0385°C. Sedangkan pada absorbent lapisan

pertama yang berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm yang menggunakan bahan MoS2 dan


lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4 memiliki suhu maksimum sebesar 20.0241°C (lihat

Gambar 4.4).

Pada Gambar 4.17 merupakan hasil temperatur dengan absorbent lapisan pertama

yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent berbentuk lingkaran dengan diameter

5µm. Lapisan absorbent pertama pada desain ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan

kedua menggunakan bahan SiO2.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.5 Temperatur mikrobolometer IIL tipe I absorbent MoS2 dan SiO2 (a)



Hasil temperatur pada absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm dengan

bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan SiO2 memiliki suhu maksimum sebesar

20.0385°C. Kemudian pada absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 2x2µm dengan

bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan SiO2 memiliki suhu maksimum yang

sama dengan absorbent kotak 4x4µm sebesar 20.0385°C. Sedangkan pada absorbent lapisan

pertama yang berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm yang menggunakan bahan MoS2 dan

lapisan kedua menggunakan bahan SiO2 memiliki suhu maksimum sebesar 20.0289°C (lihat

Gambar 4.5).

Hasil dari simulasi diatas menunjukkan suhu yang diterima itu sama tetapi daerah

ruang jangkauan suhu yang ditangkap oleh mikrobolometer tersebut berbeda. Dapat dilihat

perbedaannya yaitu pada cantilever ketiga mikrobolometer IIL, untuk absorbent lingkaran

diameter 5µm terlihat warna hijau lebih besar jangkauannya daripada mikrobolometer IIL

absorbent kotak 4x4µm dan 2x2µm (lihat Gambar 4.4 dan 4.5). Hal ini disebabkan oleh


bentuk absorbent yang digunakan, ini membuktikan bahwa tidak hanya bahan tetapi bentuk

dari absorbent juga sangat menentukan dalam pembuatan design dari mikrobolometer IIL ini.

Selain suhu, bahan dan bentuk absorbent ini juga menentukan seberapa besar

displacement dan stress yang terjadi. Gambar dibawah ini menunjukkan seberapa besar

perbedaan displacement yang terjadi.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.6 Displacement mikrobolometer IIL tipe I absorbent MoS2 dan Si3N4 (a)



Pada Gambar 4.6 merupakan gambar perubahan displacement mikrobolometer IIL tipe

I dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent

berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama mikrobolometer IIL

tipe I ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4.

Pada Gambar 4.7 merupakan gambar perubahan displacement mikrobolometer IIL tipe

I dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent


tipe I ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan SiO2.

(a) (b)


(c)

Gambar 4.7 Displacement mikrobolometer IIL tipe I absorbent MoS2 dan SiO2 (a)



Selanjutnya adalah analisa stress mikrobolometer IIL tipe I, pada Gambar 4.8

merupakan gambar perubahan stress mikrobolometer IIL tipe I dengan absorbent lapisan

pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent berbentuk lingkaran dengan

diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama mikrobolometer IIL tipe I ini menggunakan bahan

MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.8 Stress mikrobolometer IIL tipe I absorbent MoS2 dan Si3N4 (a) mikrobolometer

absorbent kotak 4x4µm (b) mikrobolometer absorbent kotak 2x2µm (c) mikrobolometer

absorbent lingkaran diameter 5µm


Pada Gambar 4.9 merupakan merupakan gambar perubahan stress mikrobolometer IIL

tipe I dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent


tipe I ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan SiO2.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.9 Stress mikrobolometer IIL tipe I absorbent MoS2 dan SiO2 (a) mikrobolometer



Dari data yang diperoleh bahwa penggunaan bahan SiO2 dengan bentuk absorbent

kotak lebih meredam displacement dibandingkan dengan menggunakan Si3N4, dengan selisih

nilai sebesar 9.589 x 10-4 µm pada kondisi warna merah. Untuk stress maksimum sebesar

276.589 MPa terdapat pada mikrobolometer IIL tipe I absorbent lingkaran diameter 5µm

untuk bahan absorbent Si3N4, sedangkan bahan SiO2 absorbent kotak memiliki stess lebih

kecil dengan nilai maksimum sebesar 157.217 MPa.

2 Mikrobolometer IIL tipe L

Dari hasil simulasi mikrobolometer IIL tipe L dengan absorbent lapisan pertama yang

berbentuk kotak 4x4µm berbahan MoS2, menggunakan suhu +20°C diperoleh hasil sebaran

temperature maksimal yaitu pada suhu 20.0385°C pada daerah tengah, kemudian pada absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 2x2µm diperoleh hasil sebaran temperature

maksimal yaitu pada suhu 20.0434°C sedangkan cantilever dari mikrobolometer ini memiliki

suhu 20°C (lihat Gambar 4.25 dan 4.26). Berbeda dengan absorbent lingkaran diameter 5µm

sebaran temperature maksimal yaitu pada suhu 20.0434°C. Pada Gambar 4.10 diperlihatkan

hasil temperatur dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan


absorbent berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama pada desain

ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.10 Temperatur mikrobolometer IIL tipe L absorbent MoS2 dan Si3N4 (a)



Selanjutnya pada Gambar 4.11 memperlihatkan hasil temperature mikrobolometer IIL

tipe L dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan

absorbent berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama pada desain

ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan SiO2.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.11 Temperatur mikrobolometer IIL tipe L absorbent MoS2 dan SiO2 (a)




Sama halnya dengan mikrobolometer IIL tipe I dari simulasi diatas walaupun suhu

yang diterima oleh mikrobolometer IIL tipe L itu sama tetapi daerah ruang jangkauan suhu

yang ditangkap oleh mikrobolometer tersebut berbeda. Hal ini disebabkan oleh bahan dan

bentuk absorbent yang digunakan. Selain suhu, bahan dan bentuk absorbent mikrobolometer

IIL tipe L ini juga menentukan seberapa besar displacement dan stress yang terjadi.

Pada Gambar 4.12 merupakan gambar perubahan displacement mikrobolometer IIL

tipe L dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent


tipe I ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4.

Hasilnya yaitu pada displacement mikrobolometer IIL tipe L dengan absorbent kotak

lebih meredan displacement dibandingkan dengan absorbent berbentuk lingkaran dengan

diameter 5µm dengan selisih pada displacement maksimum sebesar 1.97 x 10-5 µm.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.12 Displacement mikrobolometer IIL tipe L absorbent MoS2 dan Si3N4 (a)



Pada Gambar 4.13 memperlihatkan gambar perubahan displacement mikrobolometer

IIL tipe L dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan

absorbent berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama

mikrobolometer IIL tipe L ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan

bahan SiO2.


(a) (b)

(c)

Gambar 4.14 Displacement mikrobolometer IIL tipe L absorbent MoS2 dan SiO2 (a)



Selanjutnya adalah analisa stress mikrobolometer IIL tipe L, pada Gambar 4.15

merupakan gambar perubahan stress mikrobolometer IIL tipe L dengan absorbent lapisan

pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan absorbent berbentuk lingkaran dengan

diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama mikrobolometer IIL tipe L ini menggunakan bahan

MoS2 dan lapisan kedua menggunakan bahan Si3N4.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.15 Stress mikrobolometer IIL tipe L absorbent MoS2 dan Si3N4 (a) mikrobolometer




Pada Gambar 4.16 merupakan merupakan gambar perubahan stress mikrobolometer

IIL tipe L dengan absorbent lapisan pertama yang berbentuk kotak 4x4µm, 2x2µm, dan

absorbent berbentuk lingkaran dengan diameter 5µm. Lapisan absorbent pertama

mikrobolometer IIL tipe L ini menggunakan bahan MoS2 dan lapisan kedua menggunakan

bahan SiO2.

Dari data stress yang diperoleh bahwa stress dengan absorbent berbentuk lingkaran

dengan diameter 5µm berbahan MoS2 lebih kecil yaitu stress maksimal sebesar 6.29037 MPa,

dibandingkan dengan absorbent yang berbentuk kotak 4x4µm dan 2x2µm yaitu stress

maksimal sebesar 6.2911 MPa. Hal ini disebabkan karena bahan yang digunakan pada

absorbent lapisan kedua menggunakan bahan SiO2, lain dengan Gambar 4.16 hasil stress

lebih besar karena bahan pada absorbent lapisan kedua yang digunakan yaitu berupa Si3N4.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.16 Stress mikrobolometer IIL tipe L absorbent MoS2 dan SiO2 (a) mikrobolometer



Dari data yang diperoleh pada analisa mikrobolometer IIL tipe L bahwa penggunaan

bahan Si3N4 dengan bentuk absorbent kotak lebih meredam displacement dibandingkan

dengan menggunakan SiO2, dengan selisih nilai sebesar 1.46 x 10-5 µm pada kondisi warna

merah. Untuk stress maksimum sebesar 16.1928 MPa pada mikrobolometer IIL tipe L

absorbent kotak untuk bahan absorbent Si3N4, sedangkan bahan SiO2 absorbent kotak

memiliki stess lebih kecil dengan nilai maksimum stress sebesar 6.2911 MPa. Agar dapat

mempermudah melihat perbedaan displacement maka kita buat grafik sesuai output

displacement yang dihasilkandari ketiga desain yang dibuat.


Tabel 4.1 Hasil simulasi displacement & stress mikrobolometer IIL

5. KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari perancangan mikrobolometer ini yaitu

tersedianya model-model sebagai acuan dari desain ini. Kemudian dibuat desain baru dengan

dimensi dan bahan yang berbeda dengan hasil validasi 80% telah sesuai dengan selisih nilai

displacemen maksimum sebesar 0.01µm.

Pada hasil anslisa mikrobolometer IIL tipe I diperoleh bahwa penggunaan bahan SiO2

dengan bentuk absorbent kotak lebih meredam displacement dibandingkan dengan

menggunakan Si3N4, dengan selisih nilai sebesar 9.589x10-4 µm pada kondisi warna merah.

Untuk stress maksimum sebesar 276.589 MPa dimiliki oleh mikrobolometer IIL tipe I

absorbent lingkaran diameter 5µm untuk bahan absorbent Si3N4, sedangkan bahan SiO2

absorbent kotak memiliki stess lebih kecil dengan nilai maksimum sebesar 157.217 MPa.

Walaupun bahan SiO2 lebih meredam displacement hingga 0.0350369 µm, tetapi terjadi

sebaran displacement yang tidak teratur, terutama pada cantilever sehingga mengakibatkan

tidak stabilnya displacement yang dihasilkan dan stressnya pun cukup besar dibandingkan

dengan mikrobolometer IIL tipe L.

Sedangkan dari data yang diperoleh pada analisa mikrobolometer IIL tipe L bahwa

penggunaan bahan Si3N4 dengan bentuk absorbent kotak lebih meredam displacement

dibandingkan dengan menggunakan SiO2, dengan selisih nilai sebesar 1.46x10-5 µm pada

kondisi warna merah. Untuk stress maksimum sebesar 16.1928 MPa pada mikrobolometer IIL

tipe L absorbent kotak untuk bahan absorbent Si3N4, sedangkan bahan SiO2 absorbent kotak

Mikrobolometer Tipe I dan L

Mikrobolometer IIL Tipe I Absorbent Mikrobolometer IIL Tipe L

Absorbent Kotak Absorbent Lingkaran

Absorbent Kotak Absorbent Lingkaran

4x4 µm 2x2 µm diameter 5µm 4x4 µm 2x2 µm diameter 5µm

Dimensi 36x28 µm 36x28 µm 36x28 µm 36x36 µm 36x36 µm 36x36 µm

Tebal 1 pixel 1.45 µm 1.45 µm 1.45 µm 1.45 µm 1.45 µm 1.45 µm

Displacement max (µm)

Si3N4 0.0359958 0.0359958 0.0358092 0.0353987 0.0353987 0.0354184

SiO2 0.0350369 0.0350369 0.0357098 0.0354133 0.0354133 0.0354241

Displacement min (µm)

Si3N4 0.0015998 0.0015998 0.0015994 0.0016616 0.0016616 0.0016616

SiO2 0.0015481 0.0015481 0.0015492 0.0016591 0.0016591 0.0016591

Stress max (MPa)

Si3N4 280.536 280.536 276.589 16.1928 16.1928 16.1887

SiO2 157.217 157.217 155.336 157.217 6.2911 6.29037

Stress min (MPa)

Si3N4 0.0009375 0.0008469 0.0032612 7.4069E-06 4.77591E-06 9.62961E-05

SiO2 0.0014639 0.0014349 0.0021392 4.531E-06 2.98014E-06 2.50943E-05


memiliki stess lebih kecil dengan nilai maksimum stress sebesar 6.2911 MPa. Untuk

mikrobolometer IIL tipe I absorbent lingkaran diameter 5µm memiliki displacement yang

lebih besar dibandingkan dengan absorbent kotak, baik itu absorbent dengan bahan Si3N4

maupun SiO2.

Dari semua hasil analisa diperoleh mikrobolometer IIL tipe L dengan absorbent kotak

2x2 µm, menggunakan bahan Si3N4 lebih meredam displacement dan stress dengan

displacemen maksimal sebesar 0.0353987 µm dan stress maksimal sebesar 16.1928 MPa.

Dengan displacement yang lebih kecil dengan stress yang kecil membuat kinerja

mikrobolometer berfungsi lebih baik.

6. DAFTAR REFERENSI

[1] Budzier Helmut, Gerlach Gerald. (2011). THERMAL IINFRARED SENSORS Theory,

Optimisation and Practice.Dresden University of Technology. Germany.

[2] History of Thermal Imaging, http://www.bullard.com/V3/products/thermal

_imaging/history_of_thermal_imaging.php

[3] Niklaus Frank, Pejnefors Johan, Dainese Matteo, Häggblad Michael, Hellström Per-

Erik, Wållgren Ulf, Stemme Göran. (2004). Characterization of transfer bonded

silicon bolometer arrays. Jurnal. Royal Institute of Technology (KTH). Sweden.

[4] Mahmood Aamer. (2006). Device Level Vacum Packaged Microbolometers On Flexible

Substrates. Jurnal. The University of Texas at Arlington.

[5] Panajng Gelombang. http://id.wikipedia.org/wiki/Panjang_gelombang

[6] Wu Yuanqing, Yao Suying, Gao Peng, He Hongwei. (2009). Structure design and

simulation of uncooled infrared sensors. Jurnal. Tianjin University. China.

[7] Jenis-jnis Gelombang Elektromagnetik Berdasarkan Spektrumnya.

http://www.mediabali.net/fisika_hypermedia/spektrum_em.html

[8] Hisaka, Robeth V.M., Johanis L., Rosadi Yudi. (2003). Pembuatan Thermometer

Thermistor Digital. Jurnal. Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Padjadjaran.

Bandung.

[9] Pengaruh Campuran Unsur Kimia Pada Baja. http://yogoz.wordpress.com

/2011/05/15/pengaruh-campuran-unsur-kimia-pada-baja/

[10] Sensor Cahaya I. www.scrib.com/doc/87420734/Sensor-Cahaya-I

[11] Photo Courtesy Stockton Infrared. http://www.savenrg.com/infrared.htm


[12] Xiangdong Xu, Zhuo Yang, Zhi Wang, Chao Chen, Dong Zhou, Yang Yang, Yadong

Jiang. (2011). Advanced Design of Microbolometers for Uncooled Infrared Detectors.

Jurnal. International Conference on Information Science and Technology. Nanjing,

Jiangsu, China.

[13] Isolator, Konduktor, Semikonduktor, dan Superkonduktor. http://kucingke

setrum.blogspot.com/2011/10/isolator-konduktor-semikonduktor-dan.html

[14] Termistor. http://id.shvoong.com/exact-sciences/engineering/2144242-thermistor/

[15] The Electromagnetic Spectrum. http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect

/light/spectrum.html

[16] JJ. Yon, L. Biancardini, E. Mottin, JL. Tissot , L. Letellier. Infrared microbolometer

sensors and their application in automotive safety. Grenoble Cedex. France

[17] Mesin Sinar X Portabel Mini Dengan Kristal Piroelektrik. http://beritapopu

lerz.blogspot.com/2010/11/mesin-sinar-x-portabel-mini-dengan.html

[18] Hee Yeoun Kim, Kyou Min Kim, Won Soo Jang, Tae Hyun Kim, Tai Young Kang.

(2010). Mechanical Robustness of FPA Microbolometer with Fine Pitch. National

Naofab Center. Korea

[19] Gong Yuguang, Li Wei, Cai Haihong, Li Zhi, Chen Chao, Jiang Yadong. (2009).

Design and Simulation of Tunable Micromirror for Two-Color Microbolometer.

School of Optoelectronic Information, UESTC, Chengdu. China

[20] Frank Niklaus, Christian Vieider, Henrik Jakobsen. (2007). MEMS-Based Uncooled

Infrared Bolometer Arrays – A Review. KTH - Royal Institute of Technology,

Microsystem Technology Lab, Acreo AB, Electrum, Vestfold University College,

Institute for Microsystem Technology. Stockholm, Kista, Tønsberg. Sweden, Norway

[21] Nicholas A. Diakides, Josep D. Brozino. (2008). Medical Infrared Imaging. CRC

Press, Taylor and Francis Group Boca Ration. London. New York

[22] Molybdenum Atomic Absorption Standard Solution. 2013. http://www.chem

net.com/dict/dict--7439-98-7--id.html.

[23] Pembuatan dan Pemurnian Silicon. 2010. http://wanibesak.wordpress.com

/2010/10/04/pembuatan-pemurnian-silikon/

[24] Siklus biogeokimia Unsur Kromium (Cr). http://latifahkhairina.blogspot.

com/2010/03/siklus-biogeokimia-unsur-...

[25] Cara Mendulang Emas dari Komputer bekas. 2012. http://www.hong.web.

id/tutorial/cara-mendulang-emas-dari-komputer-bekas


[26] Term 2 - Optics. http://2p122nigeltanscienceeportfolio.wikispaces.com/ Term +2 +-

+Optics.

[27] Sensor Thermocouple. 2011. http://all-thewin.blogspot.com/2011/11/ sensor-

thermocouple-sensor-thermocouple.

[28] Superconductor Science and Technology. http://iopscience.iop.org/0953-

2048/25/6/063001/article

[29] Golay Cell. 2011. http://www.opticsinfobase.org

[30] Titanium Could Replace Steel as Ship Material. 2012.

http://www.laboratoryequipment.com/news/2012/04/titanium-could-replace-steel-

ship-material

[31] Al Aluminium. http://images-of-elements.com/aluminium.php

[32] Koin Emas. http://goldprom.blogspot.com/

[33] Silikon (Si). http://www.mine-engineer.com/mining/mineral/silicon.htm

[34] Molybdenum. http://www.buyrareearthmetalschinaprices.com/rare-earth-metals-moly


Documents

DESAIN DAN SIMULASI SENSOR MIKROBOLOMETER …