JIPFRI.
Vol.
8 No.
Halaman: 92-97 November 2024 JIPFRI (Jurnal Inovasi Pendidikan Fisika dan Riset Ilmia.
https://doi.
org/10.
30599/jipfri.
Perlindungan Sensor Suhu Cu/Ni dengan Nitroselulosa Miftahus Surur.
Moh.
Toifur*.
Okimustava, dan Siti Zahra Helmania Putri Lab.
Sentral.
Magister Pendidikan Fisika Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta 55161 Jl.
Pramuka No.
42 Sidikan Umbulharjo Yogyakarta * E-mail: toifur@mpfis.
Abstrak Telah dilakukan pelapisan Cu/Ni dengan nitroselulose (NC) dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan NC sebagai lapisan pelindung terhadap kepekaan dan energi aktivasi sensor.
Sampel yang dipakai adalah Cu/Ni dan Cu/Ni/Cu dimana pelapisan NC pada Cu/Ni dilakukan dengan metode semprot bertekanan 1,2 Mpa.
Kedua sampel sensor digunakan untuk mengukur suhu nitrogen cair (N2 cai.
yang suhunya divariasi dari 160CC Oe 0CC.
Selain suhu diukur juga tegangan dan arus.
Nilai kepekaan diperoleh dari slope kurva resistansi terhadap suhu, sedangkan energi aktivasi diperoleh dari slope logaritma konduktivitas terhadap satu per suhu Dari uji kepekaan diketahui diketahui bahwa kedua sensor memiliki kecenderungan semakin peka ketika suhu diturunkan, namun adanya lapisan NC menyebabkan menurunnya kepekaan sampai 18,9% yaitu dari 3,95 A/CC menjadi 3,18 A/CC pada suhu -160CC mengikuti persaman AES(T)=0,10e-0,012T.
Penggunaan lapisan pelindung NC juga dapat meningkatkan energi aktivasi sebesar 1,3% yaitu dari .
,29 C 0,.
x10-9 eV dan .
,35 C 0,.
x10-9 eV.
Hasil ini dapat digunakan sebagai pertimbangan bagi produsen sensor suhu bahwa penggunaan lapisan pelindung NC penting namun dapat penurunan kepekaan sensor.
Kata kunci: Lapisan pelindung NC, kepekaan, energi aktivasi.
Abstract Coating of Cu/Ni with nitrocellulose (NC) has been carried out with the aim of determining the effect of using NC as a protective film on the sensitivity and activation energy of the sensor.
The samples used were Cu/Ni and Cu/Ni/Cu where the NC coating on Cu/Ni was carried out using a spray method with a pressure of 1.
2 Mpa.
Both sensor samples were used to measure the temperature of liquid nitrogen .
iquid N.
which was varied from -160CC - 0CC.
In addition to temperature, voltage and current were also measured.
The sensitivity value was obtained from the slope of the resistance curve against temperature, while the activation energy was obtained from the slope of the logarithm of conductivity against one per absolute temperature.
From the sensitivity test, it is known that both sensors have a tendency to be more sensitive when the temperature is lowered, but the presence of the NC layer causes a decrease in sensitivity of up to 18.
9%, namely from 3.
95 A/CC to 3.
18 A/CC at a temperature of -160CC following the equation AES(T)=0.
The use of NC protective layer can also increase the activation energy 3%, namely from .
29 C 0.
x10-9 eV to .
35 C 0.
x10-9 eV.
These results can be used as a consideration for temperature sensor manufacturers that the use of NC protective layer is important but can reduce sensor Keywords: Thickness of the NC protective layer, absolute sensitivity, activation energy.
PENDAHULUAN
Termometer suhu rendah merupakan salah satu alat yang banyak digunakan pada dalam bidang kesehatan untuk mendeteksi suhu vaksin covid (Jain and Gawre, 2.
, p-ISSN 2549-905X.
-ISSN 2549-9076 bidang pangan untuk memantau suhu makanan yang disimpan pada almari pendingin (Xiao, 2.
, bidang peternakan untuk memantau suhu uap nitrogen pada termos penyimpan semen hewan (Giametta et al, 2.
Universitas Nurul Huda JIPFRI (Jurnal Inovasi Pendidikan Fisika dan Riset Ilmia.
Vol.
8 No.
Bulan 20xx Bahan yang sering digunakan untuk sensor suhu rendah adalah platina (Toifur et al, 2.
, tembaga, dan nikel (Nam and Lee, 2.
, namun tak jarang menggunakan perpaduan antara tembaga (C.
dan nikel (N.
(Ihsan et al, 2021.
Hossain, 2.
Prinsip kerja dari sensor ini adalah Resistance Temperature Detector (RTD) yaitu perubahan hambatan jenis jika suhu medium berubah (Sarkar, 2018.
Singgih dan Toifur, 2020.
Mizunami, 2.
Beberapa sensor suhu rendah dari lapisan Cu/Ni yang disimpan di Lab.
Sentral Universitas Ahmad Dahlan setelah kurang lebih 6 bulan banyak mengalami korosi (Singgih dan Toifur, 2.
sehingga sensor tidak lagi peka terhadap suhu.
Oleh sebab diperlukan perlindungan terhadap sensor.
Resin merupakan salah satu bahan pelindung permukaan logam dari korosi dalam bentuk lapisan tipis (Wang, 2020.
Caldona et al.
Dari beberapa jenis resin, resin nitroselulosa (NC) memiliki keunggulan: cepat kering, mudah dilapiskan, menghasilkan lapisan transparan, tahan lama, dan relatif Keunggulan lainnya resin termasuk bahan dielektrik sehingga tidak mengganggu kinerja dari sensor jika dialiri listrik.
Namun demikian tebal resin dapat mengurangi kepekaan sensor (Vincent et al, 2024.
Rameez et al, 2.
Penggunaan lapisan pelindung juga dapat meningkatkan energi aktivasi (E.
yang diperlukan untuk menggerakkan elektron arus agar supaya terjadi konduksi pada sensor.
Hal ini karena bertambahnya antar muka yang semula hanya antara Cu dan Ni bertambah antramuka antara Ni dan NC.
Antarmuka elektron arus membutuhkan tambahan energi.
METODE/EKSPERIMEN
Penyiapan Substrat Disediakan pelat nikel berukuran 1.
5 cm C 10 cm x 0,1 mm sebagai anoda.
Selanjutnya disiapkan substrat tembaga komersial (PCB) dalam bentuk gelombang kotak berukuran 108 mm x 2 mm x 70 Am.
Permukaan kedua bahan sebersih-bersihnya https://doi.
org/10.
30599/jipfri.
dengan menggosok menggunakan kain halus yang dibubuhi autosol metal polish autosol SM583 dilanjutkan dibubuhi dengan pasta gigi sampai tampak mengkilat.
Selanjutnya substrat dibilas dengan aquades dilanjutkan dengan alkohol 95% pada ultrasonic cleaner selama 15 Setelah kering pelat Cu ditimbang pada neraca Ohaus PR223/E.
Penyiapan Sampel Cu/Ni Untuk Cu/Ni digunakan reaktor elektroplating.
Pelat nikel ditempatkan di anoda dan substrat tembaga di katoda pada jarak 4 cm.
Kedua elektroda dicelupkan pada elektrolit yang terbuat dari campuran NiSO4 .
NiCl2 .
H 3BO3 .
, dan aquadest .
dengan suhu 60CC.
Proses elektroplating dilakukan pada tegangan 4,5 V selama 5 menit.
Reaksi kimia yang terjadi di anoda terjadi Ni Ie Ni 2 2eSedangkan di katoda terjadi reduksi:
Ni 2 2e- Ie Ni Gambar 1.
Susunan bahan sensor untuk Proses Penyemprotan NC Tahap berikutnya substrat Cu/Ni disemprot dengan NC Enzo 5240 pada tekanan 1,2 Mpa secara merata, ditunggu sampai 15 menit sehingga lapisan NC benar-benar kering.
Sampai di sini penyiapan sampel sudah Penentuan Tebal Lapisan Ni dan Lapisan NC Sampel Cu/Ni dan Cu/Ni/NC ditimbang dengan neraca Ohaus PR223/E.
Data berat Cu, berat Cu/Ni dan berat Cu/Ni/NC dicatat sebagai mCu, mCu/Ni, mCu/Ni/NC.
Dari data mCu, mCu/Ni, dan ANi massa jenis Ni .
,908 g/cm.
, dapat ditentukan tebal lapisan Ni secara tidak Perlindungan Sensor Suhu Cu/Ni dengan Nitroselulosa Miftahus Surur.
Moh.
Toifur.
Okimustava, dan Siti Zahra Helmania Putri langsung melalui persamaan, t Ni = konstanta, dan T suhu.
m Cu/Ni Oe m Cu ANi A .
Demikian pula dari data mCu/Ni, mCu/Ni/NC dan ANC massa jenis NC .
,23 g/mL) dapat ditentukan tebal lapisan NC .
NC) secara tidak langsung melalui persamaan.
Penentuan Energi Aktivasi Untuk menentukan energi aktivasi digunakan persamaan Arrhenius mengenai hubungan konduktivitas listrik dan suhu A = A 0e E / kT t NC = m Cu/Ni/NC Oe m Cu/Ni ANC A .
Penentuan Resistivitas Keping Resistivitas keping (R.
sampel Cu/Ni dan Cu/Ni/NC diukur menggunakan probe empat titik JG-ST2258C.
Jika RsCu/Ni lebih besar dari RsCu maka elektroplating Ni berhasil karena resistivitas Ni lebih besar dari resistivitas Cu.
Demikian pula jika RsCu/Ni/NC nol maka pelapisan Cu/Ni dengan NC berhasil karena NC merupakan bahan non konduktif.
dengan Ea, energi aktivasi, k konstanta Boltzmann .
,380649 x 10-23 J/K).
T suhu mutlak (K), dan A0 konstanta kesebandingan.
Nilai konduktivitas A dapat diperoleh dari resistansi, panjang sampel serta luas sampel:
Dengan R resistansi sensor Cu/Ni atau Cu/Ni/NC.
L panjang sensor .
A luas penampang sensor .
Selanjutnya persamaan .
Pengukuran Tegangan.
Suhu, dan Arus Selama sensor dimasukkan pada termos nitrogen cair perlahan-lahan dengan kecepatan 1,07 cm/menit dan sampling rate 1 sampel/detik dilakukan pengukuran tegangan menggunakan Vernier-VP-BTA, suhu dengan sensor suhu Vernier-TCA-BTA, dan arus dengan Verniar tipe DCP-BTA .
Ketiga sensor ini disambungkan ke software aplikasi Logger Pro sehingga datanya dapat dibaca dan Tegangan luaran sensor Cu/Ni/NC digunakan untuk mengetahui respon sensor terhadap perubahan suhu (Hossein, 2.
Jika tegangan sensor mengikuti perubahan suhu maka sensor masih bekerja dengan baik.
E 103 E a E 1
lnA = lnA 0 E
E 3
E k E 10 T Dengan menggambar kurva ln A vs 1/kT maka dari slope grafik B diperoleh energi aktivasi.
E a = 3 .
Sensor yang mudah dialiri arus memiliki Ea Semakin kecil Ea semakin mudah arus Penentuan Kepekaan Sensor Untuk memperoleh kepekaan mutlak sensor, maka sebelumnya diawali terlebih dulu dengan membuat kurva resistansi vs suhu menurut persamaan eksponensial:
R (T ) = A Oe Be CT dengan R resistansi.
T suhu.
C konstanta.
Kepekaan mutlak diperoleh dari slope kurva persamaan .
(Haris and Lu, 2.
dR (T ) S (T ) = = OePe CT Dengan .
HASIL DAN PEMBAHASAN Data Fisik Sensor Tabel 1.
Besaran-besaran pada Cu sebelum dan setelah dilapisi Ni Besaran yang Resistivitas keping Cu Resistivitas keping Cu/Ni Massa pelat Cu Massa Cu/Ni Massa lapisan Tebal lapisan Ni Tebal lapisan NC Nilai .
,040 C 0,.
x10-3 A/sq .
,81 C 0,.
x10-3 A/sq .
6,08 C 0,.
3,16 C 0,.
,08 C 0,.
,57 C 0,.
Am .
,98 C 0,.
Am https://doi.
org/10.
30599/jipfri.
JIPFRI (Jurnal Inovasi Pendidikan Fisika dan Riset Ilmia.
Vol.
8 No.
Bulan 20xx Kurva Tegangan dan Suhu Pada Gambar 2 ditampilkan respon tegangan output berupa kurva suhu vs waktu dan potensial vs waktu untuk sensor Cu/Ni dan sensor Cu/Ni/NC.
Cu/Ni/NC Cu/Ni Resistance (A) Hasil pengukuran resistivitas Cu dan Cu/Ni serta penimbangan massa Cu.
Cu/Ni.
Cu/Ni/NC dan tebal lapisan Ni dan lapisan NC yang dihitung menggunakan persamaan .
dan persamaan .
ditampilkan pada Tabel 1.
R(T)=1310,70 -46,20e-0,012T R2=0,99819 R(T)=1079,16 -37,50e-0,012T R2=0,99849 Temperature (AC) Gambar 3.
Kurva resistansi sensor terhadap suhu dari -160CC Ae 0CC .
Pada suhu 0CC resistansi Cu/Ni sebesar 1041,66 A sedangkan resistansi Cu/Ni/NC sebesar 1264,5 A atau terdapat kenaikan sebesar 222,84 A.
Persamaan yang menyatakan kenaikan resistansi AER sensor Cu/Ni setelah dilapisi NC sebagai fungsi suhu medium T adalah.
AER = 231,56 - 8,72e -0,0012T .
Gambar 2.
Respon termokopel dan tegangan sensor pada saat dimasukkan ke dalam termos nitrogen cair -160CC Oe 0CC: .
sensor Cu/Ni, dan .
sensor Cu/Ni/NC.
Gambar 2 menunjukkan bahwa sensor Cu/Ni dan Cu/Ni/NC dapat merespon perubahan suhu sebagaimana ditunjukkan oleh termpkopel baik untuk suhu turun dari 0CC Oe 160CC maupun suhu naik dari -160CC Oe 0CC.
Dari hasil ini, analisis dapat dilanjutkan pada kepekaan sensor.
Kurva Resistansi terhadap Suhu Pada Gambar 3 ditampilkan kurva resistansi terhadap suhu (R vs T) sesuai dengan persamaan .
Penggunaan lapisan NC dapat menaikkan resistansi sensor Cu/Ni pada semua suhu dari -160CC Oe 0CC.
Pada suhu -160CC resistansi Cu/Ni sebesar 823,37 A sedangkan resistansi Cu/Ni/NC sebesar 995,57 A atau terdapat kenaikan sebesar 172,20 A.
https://doi.
org/10.
30599/jipfri.
Dalam bentuk persen kenaikan resistansi relatifnya pada semua suhu adalah 21%.
Kepekaan Mutlak Sensor Pada Gambar 4 ditampilkan kurva kepekaan mutlak sensor pada berbagai suhu Kepekaan mutlak, (R0-R.
/(T0-T.
[A/AC] Cu/Ni Cu/Ni/NC S(T)=0,55e-0,012T S(T)=0,45e-0,012T Suhu [AC] Gambar 4.
Kepekaan mutlak untuk sampel Cu/Ni dan Cu/Ni/NC Dari kurva diketahui kepekaan mutlak tiap sensor tidak sama di setiap suhu pada interval -160CC Oe 0CC.
Semakin rendah suhu semakin Perlindungan Sensor Suhu Cu/Ni dengan Nitroselulosa Miftahus Surur.
Moh.
Toifur.
Okimustava, dan Siti Zahra Helmania Putri S Cu/Ni = 0,55e Oe0,012T .
sebelum dilapisi NC setelah dilapisi NC ln A [S/.
meningkat kepekaan kedua sensor.
Sensor ini berjenis Negatif Coefficient Resistance (NCR) (Lomov et al.
, 2023.
Kim et al, 2022.
Liu et al.
Toifur et al, 2.
, yang unggul untuk jenis sensor suhu rendah (Jia et al.
, 2.
karena memiliki kepekaan dan akurasi yang Persamaan hubungan kepekaan terhadap suhu untuk sensor Cu/Ni sesuai dengan persamaan .
adalah, y=7,11426 0,04988x R2=0,99718 y=6,91782 0,05052x R2=0,99685 1/1000T [K-.
Sedangkan untuk sensor Cu/Ni/NC.
S Cu/Ni/NC = 0,45e -0,012T .
Gambar 5.
Energi aktivasi Cu/Ni dan Cu/Ni/NC Pada rentang suhu antara -160CC Oe 0CC, kepekaan Cu/Ni berkisar dari 0,55 A/CC Oe 3,95 A/CC sedangkan setelah dilapisi NC kepekaan berkisar dari 0,45 A/CC Oe 3,18 A/CC.
Perbedaan antara persamaan .
hanya pada konstanta P yaitu 0,55 A/CC untuk Cu/Ni dan 0,45 A/CC untuk Cu/Ni/NC sedangkan konstanta eksponensial suhu kedua kurva bernilai sama yaitu 0,012/CC.
Ini artinya penggunaan lapisan pelindung NC pada sensor Cu/Ni dapat mengurangi kepekaan sensor, namun tidak mengubah laju perubahan kepekaannya terhadap suhu.
Dari perhitungan, diperoleh kepekaan sensor menurun hingga 18,9%.
Hubungan antara berkurangnya kepekaan AES terhadap suhu T dinyatakan Dari slope grafik diperoleh energi aktivasi Cu/Ni adalah .
,298 C 0,.
x10-9 eV dan untuk Cu/Ni/NC adalah .
,353 C 0,.
x10-9 Antara keduanya terdapat selisih sebesar 0,055 eV atau 1,3%.
Walaupun kecil namun penggunaan lapisan NC berdampak pada kenaikan Ea sehingga pemakaian NC berkontribusi pada kenaikan hamburan elektron konduksi pada sensor.
AES = 0,10e -0,012T .
Energi Aktivasi Pada Gambar 5 ditampilkan energi aktivasi sensor Cu/Ni dan Cu/Ni/NC mengikuti persamaan .
Ini menunjukkan bahwa pada saat sensor digunakan untuk mengukur suhu medium maka sensor Cu/Ni/NC membutuhkan energi yang lebih besar untuk menggerakkan elektron konduksi supaya terjadi aliran arus listrik dibandingkan sensor Cu/Ni.
Energi tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan yang disebabkan oleh interface antara Cu dan Ni, dan antara Ni dan NC.
Selain itu adanya cacat kristal dan ketidakseragaman ukuran kristal hasil elektroplating juga dapat menambah Ea (Aljubouri et al, 2.
Dari perhitungan, persentase kenaikan energi aktivasi.
Oleh karena itu kepada para produsen sensor suhu rendah umumny dan sensor Cu/Ni khususnya penggunaan lapisan pelindung supaya dijadikan bahan pencermatan sehingga kepekaan sensor tidak terlalu turun serta energi aktivasi tidak terlalu naik.
PENUTUP
Pada penelitian ini telah berhasil dibuat sensor suhu Cu/Ni berlapisan pelindung nitroselulose (NC) setebal 19,98 C0,0 6 Am.
Penggunaan lapisan NC dapat mengurangi kepekaan sampai 18,9% yaitu dari 3,95 A/CC https://doi.
org/10.
30599/jipfri.
JIPFRI (Jurnal Inovasi Pendidikan Fisika dan Riset Ilmia.
Vol.
8 No.
Bulan 20xx menjadi 3,18 A/CC pada suhu -160CC mengikuti persaman AES(T)=0,10e-0,012T.
Penggunaan lapisan pelindung NC juga dapat meningkatkan energi aktivasi sebesar 1,3% yaitu dari .
,29 C 0,.
x10-9 eV dan .
,35 C 0,.
x10-9 eV.
Hasil ini dapat digunakan sebagai pertimbangan bagi produsen sensor suhu bahwa penggunaan lapisan pelindung NC penting untuk melindungi sensor Cu/Ni namun dapat penurunan kepekaan sensor.
UCAPAN TERIMA KASIH
Kami mengucapkan terima kasih kepada kemendikbudristek yang telah memberi dana penelitian ini melalui Hibah Tesis Magister Surat Keputusan Nomor 107/E5/PG.
PL/2024 dan Perjanjian/ Kontrak Nomor 083/PTM/ LPPM-UAD/VI/2024.
REFERENSI