Sensor Fluxgate - Universitas Negeri Padang Repository
KATA PENGANTAR
Diperuntukkan kepada:
Besarnya kompetisi di pasar bebas mengharuskan pengembangan instrumen yang terus menerus baik dari sisi kualitas, harga maupun keandalannya. Meningkatnya kebutuhan untuk otomatisasi, keamanan dan
Kedua orang tuaku tercinta Bapanda Amir Mandaro Bunsu (alm) dan Ibunda Djauna serta
kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem
semua uda dan uniku: kak One, da Mafri Amir, da Maiyon, ni Dewi Asmara, ni Betriati, ni
sensor baru dengan prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor
Fitriati, ni Elni Maire, da Agusman, dan da Novaleon yang selalu memberikan motivasi dan
dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Saat ini teknologi mendoakan setiap langkah dalam perjuangan mengejar mimpi-mimpiku. sensor telah memasuki bidang aplikasi baru dan pasar yang semakin meluas seperti otomatif, rumah cerdas (smart home), penelitian, dan
Istriku Tercinta Syatriyati Elhamidiyah dan anak-anakku tersayang Fadhilatil Ulya, Fadhul
teknologi pengolahan. Berdasarkan data mengenai pasar sensor dunia
Fitra Mulky dan Fadhlul ilmi Al haqqy yang selalu setia mendampingi selama ini, maafkan
diketahui bahwa perkembangan rata-rata produksi sensor dalam sepuluh
papa kalau kadang kalian terabaikan. Doa, ketulusan dan keiklhasan yang kalian berikan tahun terakhir meningkat 4,5% setiap tahunnya. mampu memberikan kekuatan dalam menyelsaikan setiap tahapan pendidikan yang papa lewati. Serta kedua mertuaku Buya M. Syatar, Uma Hurriyah Syatar yang selalu memberikan
Untuk memenuhi kebutuhan pasar, para peneliti selalu berupaya kemudahan setiap datang kesulitan. meningkat hasil karyanya, salah salah satunya adalah sensor fluxgate. Buku ini membahas tentang prinsip kerja dan perkembangan sensor fluxgate serta
Semua guruku dan seluruh teman sejawatku parameter-parameter yang mempengaruhinya.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada: Prof. Dr.-Ing. Mitra Djamal, Prof. Dr. Eng. Khairurrijal dan Dr. deddy Kurniadi atas segala , saran dan bimbingannya, Prof. Dr. Z Mawardi Effendi, M.Pd. Selaku Rektor Univesitas Negeri Padang, Drs. Asrul, M.A, Selaku Dekan FMIPA Universitas Negeri Padang (UNP) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan buku in, Dr. Ahmad Fauzi, M.Si. Ketua Jurusan dan Seluruh staf beserta karyawan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang, atas motivasi, kerjasama dan bimbingannya.
Semua pihak yang telah berkontribusi secara langsung maupun tidak langsung baik pada proses penulisan buku ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Semoga segala amal kebaikan yang telah diperbuat dicatat sebagai amal ibadah oleh Allah SWT dan senantiasa mendapat balasan yang berlipat ganda, Aamiin.
Padang, April 2011 Dr. Yulkifli, S.Pd., M.Si
DAFTAR ISI
III.7.1. Rangkaian Eksitasi ................................................................ 41 KATA PENGANTAR .................................................................................... ii
III.7.2. Rangkaian Pick-up ................................................................. 51 DAFTAR ISI ................................................................................................... iii DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................... v
III.8. Kalibrator Sensor Magnetik .............................................. 54 DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI ...................................................... vi DAFTAR TABEL ........................................................................................... xi
III.8.1. Kalibrator dengan Kumparan Solenoida ........................... 54
BAB I. Pendahuluan ....................................................................................... 1 Bab II. Teknologi Sensor .............................................................................. 8 III.8.2. Kalibrator dengan Kumparan Helmholtz ......................... 55 II.1. Sensor, Aktuaktor, dan Transduser ................................... 8 III.8.3. Kalibrator Berupa Kumparan Helmholtz. ......................... 58 II.2. Sensor Magnetik ................................................................... 9 Bab IV. Parameter Yang Mempengaruihi Keluaran Sensor Fluxgate ... 61 II.2.1. Sensor Efek Hall .................................................................... 11 IV.1. Jumlah Lilitan Eksitasi ....................................................... 61 II.2.2. Sensor Anisotropic Magnetoresistance (AMR) ..................... 13 IV.2. Pengaruh Jumlah Lilitan Pick-up ...................................... 63 II.2.3. Sensor Giant Magnetoresistance (GMR) ............................... 13 IV.3. Pengaruh Jumlah Lapisan Inti Feromagnetik ................ 68 II.2.4. Sensor Giant Magnetoimpedance (GMI) ............................... 14 IV.4. Konfigurasi Ukuran dan Jenis Material Inti ................. 71 Bab III. Sensor Fluxgate dan Perkembangannya ..................................... 15 A. Variasi lilitan pick-up dengan ukuran inti berbeda……...71 III.1. Elemen Sensor Fluxgate ..................................................... 15 B. Variasi lilitan pick-up dengan jenis inti berbeda. ........... 73 III.2. Fluxgate dan Perkembangannya ...................................... 18 IV.5. Pengaruh Perubahan Temperatur Lingkungan Keluaran Sensor ................................................................................... 76 III.3. Prinsip Dasar Pengukuran Fluxgate ................................. 26 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 78 III.4. Prinsip Kerja Fluxgate ........................................................ 26 LAMPIRAN .................................................................................................. 86 DAFTAR RIWAYAT HIDUP ..................................................................... 92 III.5. Penentuan Faktor Demagnetisasi ..................................... 34 III.6. Pembuatan Elemen Fluxgate dengan Cara Konvensional………………………………………………37 III.7. Rangkaian Pengolah Sinyal Fluxgate ............................... 41
DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI
Lampiran 1. Tabel Perkembangan Pembuatan Elemen Fluxgate Gambar I. 1 Aplikasi Sensor dalam Berbagai Aspek Kehidupan (Yulkifli, Berdasarkan Geometri Elemen Fluxgate dan 2010) ............................................................................................ 1 Karakteristiknya. ..................................................................... 86
Gambar I. 2. Metode pengukuran: Keakuratan dan daerah pengukuran Lampiran 2. Penentuan Medan Magnet Kumparan Helmholt ................ 89 (Djamal, 2006a). ......................................................................... 2
Gambar I. 3. Tiga komponen utama teknologi sensor (Traenkler, 2001). 4 Gambar II.1. Definisi sensor (Meijer, dkk., 2008)…………………………8 Gambar II.2.Contoh yang menggambarkan sensor, aktuator dan transduser (De Silva, 2007 dan TE, 2010). .............................. 9 Gambar II.3. Diagram pengelompokan sensor magnetik bersadasarkan magnituda medan magnetik (dimodifikasi dari Macyntyre,
1999). ......................................................................................... 10 Gambar II.4. Konfigurasi sensor efek Hall (Ripka, 2001a). ..................... 12 Gambar II.5. Konfigurasi sensor AMR (Zorlu, 2008). .............................. 13 Gambar II.6. Ilustrasi gerakan elektron pada GMR. a) konfigurasi paralel, b) konfigurasi antiparalel (dimodifikasi dari
Barnett, 2008). .......................................................................... 14 Gambar III. 1. (a). Konfigurasi dasar kumparan elemen fluxgate, (b) konfigurasi parallel fluxgate (Ando, dkk., 2006) dan (c) konfigurasi orthogonal elemen fluxgate (Zorlu, 2008)…….16
Gambar III. 2. Sebuah solenoida yang dililitkan secara longgar (a), penampang solenoida dengan abcd adalah lingkar tertutup (b). .............................................................................. 17
Gambar III. 3. Beberapa aplikasi sensor fluxgate ........................................ 19 Gambar III. 4 Perkembangan teknologi pembuatan elemen fluxgate,
Suyatno, dkk., 2007 (a), Mayer, 1999 (b), Tipek, dkk., 2005
(c), Kubik 2006 (d), Ando, dkk., 2006 (e), Bellloy, dkk., 2000 (g), Park, dkk., 2004 (h), Bashirotto dkk., 2006 (I dan j), Perez, dkk., 2004 (k dan m), dan Kubik, 2006 (l). ............... 21
Gambar III. 5. Prinsip pengukuran medan magnet: a) dengan cara langsung; b) menggunakan medan magnet referensi B ref sebagai pembanding terhadap medan magnet yang diukur
B ext (dimodifikasi dari Gopel, 1989). ..................................... 26
Gambar III. 6. Prinsip kerja fluxgate (dimodifikasi dari Grueger, 2000). . 27 Gambar III. 7. Skema diagram pengolahan sinyal sensor fluxgate. ......... 28 Gambar III. 8. Kurva tegangan keluaran fluxgate dengan medan eksitasi berupa sinus (dimodifikasi dari Liu, 2006). ......................... 29 Gambar III. 9. Elemen sensor kumparan pick-up ganda dengan inti berbentuk oval. ........................................................................ 37 Gambar III. 10. Kurva magnetisasi Vitrovac 6025. ..................................... 38 Gambar III. 11. Inti berbentuk batang tunggal (Single rod-core). ............ 38 Gambar III. 12. Inti berbentuk 2 buah batang (Double rod-core) dengan kumparan pick-up tunggal (singel pick-up), model Facquier.
................................................................................................... 39 Gambar III. 13. Inti berbentuk 2 buah batang (Double rod-core) dan kumparan pick-up ganda (double pick-up), model Forster. 39 Gambar III. 14. Inti berbentuk cincin (ring-core), dengan lilitan mengikuti cincin, model Achenbrenner and Goubau. .......................... 39 Gambar III. 15. Rangkaian H-bridge eksitasi (Kubik, 2006). ...................... 43 Gambar III. 16. Osilator astabil dan pembagi frekuensi. ......................... 44 Gambar III. 17. Rangkaian MOSFET sebagai Inverter. ............................ 45
Gambar III. 18. Rangkaian generator sinyal sinusiodal eksitasi. ............ 46 Gambar III. 19. Rangkaian eksitasi sinusiodal. ......................................... 46 Gambar III. 20. Tegangan keluaran sensor terhadap medan magnet eksternal ketika tegangan eksitasi 3 Volt. ........................... 47 Gambar III. 21. Tegangan keluaran sensor terhadap medan magnet eksternal ketika tegangan eksitasi 5 V ............................... 47 Gambar III. 22. Tegangan keluaran sensor terhadap medan magnet eksternal ketika tegangan eksitasi 7V. ................................. 48 Gambar III. 23. Hubungan frekuensi eksitasi terhadap sensitivitas sensor. ....................................................................................... 49 Gambar III. 24. Hubungan frekuensi eksitasi terhadap daya eksitasi. .. 50 Gambar III. 25. Rangkaian osilator kristal dan IC CD4060. ..................... 50 Gambar III. 26. Bagian pembagi frekuensi CD4060. .................................. 51 Gambar III. 27. Rangkaian detektor fasa ketika keluaran sensor positif. 52 Gambar III. 28. Rangkaian tapis lolos rendah Sallen-Key. ........................ 53 Gambar III. 29. Grafik tanggapan frekuensi tapis lolos rendah orde ke-6.
................................................................................................... 54 Gambar III. 30. Kumparan Helmholtz (a) dan arah garis medan magnet untuk kumparan Helmholtz; arah arus searah (b), arah arus berlawanan (c). ............................................................... 55
Gambar III. 31. Foto Kalibrator dengan bentuk solenoida. ...................... 56 Gambar III. 32. Kalibrasi solenoida dengan alat ukur medan magnet standar. ..................................................................................... 57 Gambar III. 33. Kesalahan relatif kumparan kalibrasi solenoida. ........... 58
Gambar III. 34. Kumparan Helmholtz dengan garis induksi oleh arus (a), Gambar IV. 12. Karakteristik keluaran sensor dengan konfigurasi lilitan foto hasil desain kumparan Helmholtz (b). ........................ 58 pick-up : dengan inti Vitrovac 6025X (1,5x0,025mm). .......... 72 Gambar III. 35. Hasil kalibrasi kumparan Helmholtz dengan arus seri 59 Gambar IV. 13. Karakteristik sensitivitas keluaran sensor dengan konfigurasi lilitan pick-up: untuk ukuran inti berbeda ..... 73 Gambar III. 36. Hasil kalibrasi kumparan Helmholtz dengan arus paralel. ...................................................................................... 59 Gambar IV. 14. Karakteristik keluaran sensor dengan konfigurasi lilitan
pick-up dengan inti Metglas 2705M (2.0x0.025mm). .......... 74
Gambar IV. 1. Hubungan konfigurasi lilitan eksitasi (N exc ) dengan faktor demagnetisasi ( D)………………………………………….62 Gambar IV. 15. Karakteristik keluaran sensor dengan konfigurasi lilitan
pick-up dengan inti Vitrovac 6025X (1.5x0.025mm). ........... 75
Gambar IV. 2. Hubungan konfigurasi lilitan eksitasi (N exc ) dengan daya exc eksitasi (P ). ........................................................................... 62 Gambar IV. 16. Karakteristik sensitivitas keluaran sensor dengan exc ................................................................................................... 75 konfigurasi lilitan pick-up: untuk ukuran jenis inti berbeda. Gambar IV. 3. Hubungan konfigurasi lilitan eksitasi (N ) dengan v sensitivitas sensor S . .............................................................. 63 pc Gambar IV.17. Pengaruh temperatur lingkungan terhadap tegangan
Gambar IV. 4. Hubungan konfigurasi lilitan pick-up N dengan L. ....... 65 keluaran sensor. ....................................................................... 76 Gambar IV.18. Kurva perubahan sensitivitas sensor akibat perubahan
Gambar IV. 5 Hubungan faktor demagnetisasi dengan lilitan pick-up. . 66 pc temperatur lingkungan. ......................................................... 77 Gambar IV. 6. Hubungan konfigurasi lilitan pick-up (N ) dengan daya exc eksitasi (P ). ............................................................................ 67 Gambar IV. 7. Hubungan konfigurasi pick-up dengan sensitivitas. ........ 68 inti Gambar IV. 8. Hubungan konfigurasi jumlah inti (n ) dengan faktor demagnetisasi (D). .................................................................. 69 Gambar IV. 9. Hubungan konfigurasi jumlah lapisan inti (n inti ) dengan daya eksitasi (P exc ). .................................................................. 70 Gambar IV. 10. Hubungan konfigurasi jumlah inti (n inti ) dengan sensitivitas. ............................................................................... 70 Gambar IV. 11. Karakteristik keluaran sensor dengan konfigurasi lilitan
pick-up : dengan inti Vitrovac 6025X (0.75x0.025mm). ......... 72
BAB I. Pend dahuluan DAFTAR TABEL
Salah s satu sensor yan ng banyak dikem mbangkan saat ini adalah sens sor- Tabel I. 1. Rentang pengukuran sensor magnetik (Smith, 1998) ............... 3 sensor yang berbasiska an pada konsep perubahan med dan di sekitar ob bjek yang d diamati/diukur. . Sensor-sensor yang menggu unakan konsep ini
Tabel II.1. Rentangan dan resolusi sensor-sensor magnetik (dirangkum disebut t sensor magnet ik (Fraden, 1996 6). Terdapat beb berapa metoda ya ang dari Macyntyre, 1999, Kubik, 2006 dan Zorlu, 2008) ……….10 dapat d dilakukan untuk k mengukur kua at medan magne et antara lain ant tara lain: m metode resonansi i magnetik, meto ode induksi, met tode pelat Hall d dan
Tabel III 1.Perkembangan teknologi pembuatan elemen fluxgate………22 metode e fluxgate (Ripka , 2001a). Tabel III 2. Faktor demagnetisasi global untuk inti berbentuk cincin
(ring-core). ................................................................................. 25 Tabel III 3. Faktor demagnetisasi faktor global untuk racetrack-core
(Kubik, 2006). ........................................................................... 25 Tabel III 4. Bentuk geometri inti feromagnetik elemen fluxgate . ............. 40 Tabel IV. 1. Parameter dan hasil pengukuran konfigurasi panjang lilitan exc s eksitasi (l ) dengan panjang sensor (l ) dijaga tetap…………61 Tabel IV. 2. Parameter dan hasil pengukuran variasi lilitan pick-up dengan panjang sensor (ls) konstan (Z50 to Z56). .............. 64 Tabel IV. 3. Parameter dan hasil pengukuran variasi lilitan pick-up dengan panjang sensor (ls) berubah Z57 to Z60. ............... 64 Tabel IV. 4. Parameter dan hasil pengukuran konfigurasi jumlah inti feromagnetik. ........................................................................... 68
Ga ambar I. 1 Aplik kasi Sensor dalam m Berbagai Asp pek Kehidupan Tabel IV. 5. Rangkuman sensitivitas dan daerah linier untuk konfigurasi
(Yulkifli, 2010)
pick-up dengan ukuran inti berbeda. .................................... 71
Tabel IV. 6. Tegangan keluaran dan daerah linier sensor untuk Pemilihan met tode ini bergant tung pada bebe rapa faktor, ant tara konfigurasi lilitan pick-up dengan jenis material inti lain: re esolusi, kuat med dan, homogenita as, variasi dalam m waktu, sensitiv vitas berbeda. .................................................................................... 74 dan ke akuratan (Djama al dan Setiadi, 20 006).
Gambar I. 2. Metode pengukuran: Keakuratan dan daerah pengukuran (Djamal, 2006a).
Gambar I. 2. menunjukkan beberapa metoda yang sering digunakan untuk mengukur medan magnet, antara lain metode resonansi magnetik, metode induksi, metode pelat Hall dan metode fluxgate. Metode resonansi magnetik dijadikan standar utama untuk kalibrasi karena keakuratannya dan linieritas yang tinggi. Pengukuran medan magnet dengan metode pelat Hall dapat mencapai resolusi 10 mT jika menggunakan sinyal eksitasi DC konvensional, tetapi terjadi tegangan induksi secara termal pada kabel dan konektor. Metode pelat Hall sangat berguna untuk pengukuran pada temperatur rendah. Metode fluxgate terlihat pada rentangan pengkuran medan rendah sehingga lebih cocok digunakan untuk aplikasi medan magnet lemah.
Pembuatan sensor magnetik saat ini menggunakan beberapa metode antara lain: metode efek Hall, metode Magnetoresistif (AMR,GMR), metode SQUID dan metode Fluxgate (Fraden, 1996, dan Smith, dkk., 1998). Prinsip kerja sensor magnetik motode efek Hall adalah berdasarkan efek Hall (Goepel, 1989 dan Caruso, dkk., 1998). Kelemahan metode ini adalah sensitivitasnya rendah, offset tegangan yang cukup tinggi dan pengaruh temperatur yang cukup besar. Prinsip kerja sensor magnetik magnetoresistif adalah perubahan resistansi bahan akibat pengaruh medan magnet luar (Saragi, 2005 dan Djamal, dkk., 2006b). Kelemahan sensor magnetik model ini adalah adanya pengaruh efek histeresis, berubahnya sensitivitas sensor terhadap kenaikkan medan magnet H. Metode SQUID memerlukan helium cair atau nitrogen cair dan temperatur tinggi dalam pengoperasiannya dan mempunyai keterbatasan rentangan dinamik, sehingga digunakan untuk keperluan khusus saja (Kubik, 2006a dan Zorlu, 2008). Pada metoda
fluxgate
, pengukuran kuat medan magnet didasarkan pada hubungan antara kuat medan magnet H yang diberikan dengan fluks medan magnet induksi B. Jika B yang dihasilkan berasal dari masukan H berupa gelombang pulsa bolak-balik, maka dalam keadaan saturasi pada keluaran B akan timbul gelombang harmonik genap. Gelombang harmonik genap berupa gelombang harmonik ke dua yang besarnya sebanding dengan medan magnet luar yang mempengaruhi inti dan arahnya sebanding dengan arah medan magnet luar tersebut (Gopel, 1989; Ripka, 2001a; Kawahito, 2006 dan Djamal dan Setiadi, 2006a).
Sensor magnetik dengan prinsip fluxgate dapat dipergunakan untuk mengukur medan magnetik DC, sedangkan AC khusus untuk frekuensi rendah dan mempunyai sensitivitas yang sangat tinggi. Kawahito, dkk., (1996) menemukan sensitivitas fluxgate adalah 2700V/T, sedangkan pada efek Hall sekitar 0,5V/T untuk bahan Si, dan pada magnetoresistif sekitar 100V/T. Kelebihan lain fluxgate adalah ukurannya kecil, kebutuhan daya kecil, dan mempunyai kestabilan yang tinggi terhadap temperatur dengan koefisien sensitivitas temperatur 30 ppm/ o C dan koefisien offset 0.1 nT (Ripka, 2001a dan Liu, 2006). Tabel I. 1. Rentang pengukuran sensor magnetik (Smith, 1998) Berdasarkan r rentangan peng gukuran medan magnetik, sen nsor sensor atau sistem sensor ditentukan oleh interaksi yang kuat dari tiga magne t dikelompokan n dalam tiga ka ategori, yaitu : low field, dim mana komponen utama pembentuknya, seperti struktur sensor, teknologi
medium filed, medan n magnet yang d diukur lebih kec cil dari 1 µG), m med dan manufaktur dan algoritma pengolah sinyalnya (Traenkler, 2001).
magne t yang terukur b berada pada 1µG G sampai 10µG d dan high field med dan Perkembangan teknologi sensor juga dipengaruhi oleh perkembangan magne t terukur lebih besar dari 10 µG G, Ketiga kateg gori tersebut da apat dari ketiga bidang ini, ketiga komponen tersebut ditunjukkan pada terlihat t pada Tabel I. 1
1. Berdasarkan Tabel I. 1 terli ihat bahwa sen nsor Gambar I. 3. magne tik fluxgate sang gat cocok diguna akan untuk men ngukur kuat med dan magne t yang sangat lem mah.
Semakin banyak langkah-langkah teknologi proses yang dilakukan dalam membuat sensor atau sistem sensor maka akan semakin Tantangan uta ma teknologi se ensor masa kini i adalah mengu ukur rumit teknik-teknik yang diperlukan untuk mengatasi efek-efek sensor besaran n-besaran yang g selama ini su ulit atau tidak bisa diukur d dan yang tidak diinginkan. Oleh karena itu untuk mendapatkan kemampuan mening gkatkan nilai in nformasi sensor r dengan meng ggunakan meto oda- sensor atau sistem sensor yang optimal perlu dipilih kombinasi yang metoda a pengukuran yang sudah d dikenal (Traenk kler, 2007). Dal lam tepat antara teknologi dengan sistem pengolah sinyal yang digunakan. pengem mbangan sensor r dan sistem se ensor perlu dipi ilih prinsip-prin nsip Sehingga pembuatan sensor dan sistim sensor lebih sederhana dan biaya penguk kuran yang c cocok, penguk kuran-pengukura an khusus pe erlu murah tentunya dengan kualitas yang dapat bersaing dalam pasar dikemb bangkan untuk k meningkatkan n kemampuan sensor (Traenk kler, nasional maupun internasional (Traenkler, 2001). 1998).
Fluxgate
memenuhi kriteria di atas dimana prosesnya tidak terlalu komplek kecuali teknologi mikro, sinyal keluaran mudah didigitalisasi, linieritas tinggi, ukuran relatif kecil, dan sensitivitas tinggi (Goepel, dkk., 1989, Ripka, 2001a, dan Djamal, 2005). Sensor fluxgate pada dasarnya terdiri dari dua komponen penting yaitu: elemen fluxgate dan rangkaian pengolah sinyal (Gopel, 1989 dan Ripka, 2001a). Pembuatan elemen fluxgate Untuk meningkatkan daya kerja sensor fluxgate seperti sensitivitas, resolusi dan daerah pengukuran maka kedua hal penting tersebut harus di buat seoptimal mungkin. Berbagai upaya telah dilakukan oleh peneliti untuk mendapatkan karakteristik sensor yang baik antara lain perbaikan pada desain struktur dan ukuran elemen sensor fluxgate.
Desain struktur dan ukuran elemen fluxgate dilakukan dengan berbagai cara salah satunya adalah meminiatur ukuran sensor dalam orde yang lebih kecil dengan teknologi mikro (Kawahito, dkk., 1994; Ripka, dkk., 2001: Park, dkk., 2004: Wang, dkk., 2006; Fan., dkk., 2006;
Gamba ar I. 3. Tiga kom mponen utama t teknologi sensor r (Traenkler, 20 01). Zorlu, dkk., 2007). Teknologi mikro yang sering digunakan adalah
electroplating, chemical etching, flex-foil, photolithograpy, evaporasi dan sputtering.
Metode dengan teknologi mikro mempunyai proses yang sangat komplek sehingga mengakibatkan harga pembuatan mahal, Dalam hal i ini perlu diko ompromikan a antara biaya d dan sensitivitasnya yang dihasilkan rendah karena luas penampang (cross- permin ntaan. Peningk katan kemampu uan sensor sec cara umum da apat
sectional
) menjadi kecil (Kubik, 2006). Menurut Ciudad, dkk., (2010), dua dicapai i dengan melak kukan pemiliha an yang tepat t terhadap teknol logi permasalahan utama dalam pembuatan elemen fluxgate dengan teknologi manufa aktur, struktur s sensor dan peng golah sinyalnya. Kemampuan su uatu mikro adalah: (1) proses meminiatur dalam pembuatan kumparan dan (2) teknologi PCB. Bentuk-bentuk elemen fluxgate lain dan teknologi yang proses mengintegrasikan inti feromagnetik kedalam kumparan. digunakan dapat dilihat pada Lampiran 1.
Metoda lain pembuatan sensor adalah menggunakan teknologi Liu, (2006), berupaya mengurangi konsumsi daya yang
Printed Circiut Boards
(PCB) seperti: (Dezuari, dkk. 1999; Choi, dkk., 2004; dibutuhkan sensor fluxgate dengan cara mengurangi ukuran inti Tipek, 2005; Bashiroto, dkk., 2006: Kubik, dkk., 2006: Zorlu, dkk., 2007). (contracted core) pada bagain kumparan pick-up, hal ini berhasil Kesulitan dalam teknologi PCB adalah saat memasukkan inti diwujudkannya dengan penurunan daya dari 41mW menjadi 1,4mW. feromagnetik kedalam kumparan. Ketika menyatukan lapisan-lapisan Tetapi permasalahan muncul pada tegangan keluaran sensor yaitu PCB dengan cara pemanasan (anneling) sering merusak permeabilitas inti menurunnya nilai tegangan keluaran dengan mengecilnya luas (Tipek 2005) dan merusak jalur-jalur lilitan kumparan. penampang inti pick-up. Menurut Ripka, (2003) dan Bashiroto, dkk.,
(2006) tegangan keluaran sensor sebanding dengan luas penampang pick-
up
. Selain itu tidak ada tinjauan tentang faktor demagnetisasi. Menurut Menurut Ripka, (2001a) dan Kubik, (2006) terdapat berbagai bentuk elemen fluxgate yang dikembangkan saat ini antara lain: inti Primdhal, dkk., (1989), Ripka, (2001a), dan Kubik, dkk., (2008), faktor demagnetisasi sangat mempengaruhi tegangan keluaran fluxgate. dengan bentuk tunggal (single rod-core): inti dengan bentuk ini memiliki kelemahan karena tidak memiliki medan eksitasi referensi dan garis medan magnetik yang terbuka pada ujung-ujung inti mengakibatkan
feedthrough
dan noisenya tinggi sehingga jarang digunakan. Peneliti yang pernah mengembangkan ini adalah Rabnovici, dkk ., 1989 dan Zhang, dkk., 1998). Inti dengan bentuk dua buah batang sejajar (Double rod-core) dikembangkan oleh Molodovanu, dkk., 2000 dan Moldovanu, dkk., 2000. Inti bentuk ini hampir sama dengan inti berbentuk tunggal karena mempunyai garis medan terbuka diujung-ujung kumparan. Bentuk terbuka ditempati oleh udara yang menyebabkan relukstansi yang tinggi dibandingkan inti feromagetik sehingga memerlukan arus eksitasi yang tinggi. Kebocoran flux magnetik pada ujung kumparan dapat menganggu sensor lain yang berada didekatnya.
fluxgate
Bentuk inti elemen yang sering dikembangkan juga adalah inti dengan bentuk cincin (ring-core). Primdahl, dkk., (1989) dan Ripka, (2003) adalah dua peneliti yang pernah mengembangkan inti berbentuk cincin. Garis medan magnet yang melingkar pada cincin menjadikan kendala dalam menentukan arah medan yang sedang diukur.
Hinnrics, (2001) dan Kubik, (2006) menggembangkan inti berbentuk racetrack-core. Inti bentuk ini memiliki sensitivitas yang tinggi dibandingkan yang lainnya. Sirkuit garis-garis medan yang tertutup di ujung-ujung kumparan membuat keluaran sensor lebih stabil. Selain itu mudah dalam menentukan arah medan yang diukur. Hinnrics membuat elemen fluxgate dengan teknologi mikro sedangkan Kubik menggunakan
Bab II. Teknologi Sensor
Pada bab ini dipaparkan tentang kajian pustaka dan teori fluxgate yang di dalamnya mencakup kajian tentang berbagai sensor magnetik kelebihan dan kekurangan dari masing sensor dan perkembangan teknologi pembuatan sensor fluxgate serta aplikasi fluxgate yang berkembang saat ini.
II.1. Sensor, Aktuaktor, dan Transduser
Secara umum sensor didefinisikan sebagai piranti yang mengubah besaran-besaran input fisis seperti: magnetik, radiasi, mekanik, dan termal atau kimia menjadi besaran listrik sebagai output (Meijer, dkk., 2008), seperti terlihat pada Gambar II.1 .
Gambar II.2. Contoh yang menggambarkan sensor, aktuator dan transduser (De Silva, 2007 dan TE, 2010).
II.2. Sensor Magnetik
Sensor-sensor yang bekerja berdasarkan perubahan medan magnetik Gambar II.1. Definisi sensor (Meijer, dkk., 2008). yang terjadi di sekitar benda atau objek yang diukur disebut sensor medan magnet. Berdasarkan magnituda medan magnet, sensor medan
Aktuator
adalah piranti yang menggunakan output sensor, magnet dapat dibagi menjadi tipe komponen vektor (vector component) mengubah besaran elektrik menjadi besaran lain seperti gerak. Definisi dan berdasarkan skalar (Macyntyre, 1999), seperti ditunjukkan pada lain meyatakan sensor sebagai fungsi input sedangkan aktuaktor sebagai fungsi output. Sedangkan Tranduser adalah gabungan dari sensor dan aktuaktor. Sebagai contoh (Gambar II.2): mikrofon sebagai perangkat masukkan mengkonversi gelombang suara menjadi sinyal listrik untuk penguat untuk memperkuat, dan loudspeaker yang berfungsi sebagai perangkat keluaran mengubah sinyal listrik kembali ke gelombang suara.
Gambar II.3. Tipe vektor termasuk ke dalam sensor yang digunakan untuk mengukur medan magnet lemah (<1mT) dan medan magnet kuat (>1mT).Instrumen untuk mengukur medan magnet lemah biasa disebut
Tabel II.1. Rentangan dan resolusi sensor-sensor magnetik
magnetometer
dan instrumen untuk mengukur medan magnet kuat (dirangkum dari Macyntyre, 1999, Kubik, 2006 dan Zorlu, 2008) . disebut gaussmeter. Fluxgate termasuk dalam metode magnetometer. Rentang pengukuran dan resolusi dari masing sensor magnetik
Range Resolusi
Tipe
Keterangan dirangkum dalam Tabel II.1. sensor (mT) (nT)
- -10 6 Berubah- Tidak dapat mengukur medan
- -9 -4 presisi
Search-coil
10 - 10 ubah magnet statik hanya untuk ac Jarang digunakan dalam sehari- hari karena proses pengunaan komplit, memerlukan sistem
Rotating-
pendinginan temperatur 20 0.01
coil criogenic
, mekaniknya sering tidak stabil, kegunaanya Sensor Medan Magnetik terbatas pada laboratorium -2 -4 khusus
Efek Hall 10 - 10 100 Terbaik untuk medan di atas 1T Umum untuk tujuan magnetometer vektor,
Magnetometers Gaussmeters digunakan untuk medan dc, -4 memiliki kestabilan yang tinggi
Fluxgate
10 - 0.5
0.1 terhadap perubahan temperatur lingkungan, mempunyai aplikasi yang luas dan mudah
Efek Hall dioperasikan
Vektor Skalar
Magnetodiode Proton Tujuan utama untuk mengukur 0.02 – 0.1
0.05
precesion
medan magnet skalar Magnetotransistor
Magnetometer dengan Magnetoresistif sensitivitas paling tinggi. Jarang
Kumparan Pompa digunakan dalam sehari-hari induksi optik karena proses penggunaan yang
Fluxgate Proton komplek, memerlukan sistem
SQUID
SQUID 10 – 0.1 10 pendinginan temperatur Serat optik
criogenic
, membutuhkan cairan Magnetoresistif hidrogen, mekaniknya sering tidak stabil, kegunaanya terbatas pada laboratorium khusus
Gambar II.3. Diagram pengelompokan sensor magnetik Proses pembuatan komplit, bersadasarkan magnituda medan magnetik (dimodifikasi dari -3
AMR 10 – 5
10 kurang stabil. Merupakan Macyntyre, 1999). pesaing dari dari fluxgate tanpa kontak. Kelebihan dari sensor efek Hall adalah struktur yang sederhana dan karakteristik yang bagus dalam teknologi fabrikasi mikro. Pompa Resolusi tertinggi,
0.01-0.1 0.005 Divais Hall mudah difabrikasi dengan teknologi CMOS dan optik magnetometer skalar pengkondisian sinyal elektronik dapat langsung diintegrasikan dengan divais Hall (Ripka, 2001a). Kekurangan sensor ini adalah nilai tegangan
Lebih jauh dibahas beberapa jenis sensor magnetik beserta prinsip
offset
yang tinggi pada keluaran divais. Penyebab offset ini adalah kerjanya. geometri non-simetrik dari divais karena lapisan yang tidak lurus pada proses fabrikasi, defek permukaan, dan variasi hambatan kontak. Nilai
II.2.1. Sensor Efek Hall dari tegangan offset juga dipengaruhi oleh suhu dan tekanan divais.
Efek Hall ditemukan pertama kali oleh Edwin Hall pada tahun 1879 ketika kuliah di Johns Hopkins University di Baltimore. Ia menyatakan
prinsip kerja sensor ini adalah memanfaatkan fenomena efek Hall. Efek Hall ini didasarkan pada efek medan magnetik terhadap partikel
II.2.2. Sensor Anisotropic Magnetoresistance (AMR)
Sensor AMR banyak digunakan sebagai head pembaca dari divais bermuatan yang bergerak. Prinsip kerja efek Hall hal ditunjukkan penyimpan magnetik, sensor posisi, dan kompas. Sensor ini dapat
Gambar II.4. Gaya yang bekerja pada partikel bermuatan disebut gaya mengukur medan magnet sampai 200 μT baik pada medan magnet DC Lorentz (Fraden, 1996 dan Ripka, 2001a). maupun AC dengan sampai beberapa MHz.
Ketika ada arus listrik yang mengalir pada divais efek Hall yang Efek AMR didasarkan pada nilai resistivitas anisotropik dari ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus arus listrik, lapisan tipis feromagnetik. Perubahan vektor magnetisasi yang pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan diakibatkan adanya medan magnet luar menyebabkan perubahan nilai menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya resistivitas bahan tersebut sampai sekitar 2-3 % (Ripka, 2001a). Respon
Lorentz yang bekerja pada partikel menjadi nol. Perbedaan potensial sensor ini bersifat unipol sehingga pada medan magnet luar dengan arah antara kedua sisi divais tersebut disebut potensial Hall. Potensial Hall ini berkebalikan tidak mengubah nilai resistivitas bahan, prinsip kerja AMR sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang melalui divais. ditunjukkan Gambar II.5. Kekurangannya adalah proses pembuatannya melalui tahap annealing yaitu saat proses pemanasan kemudian didinginkan tiba-tiba, sehingga tidak dapat diintegrasikan dengan teknologi Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS). Jika hanya satu elemen yang digunakan, peningkatan resistansi menyebabkan offset sensor meningkat. Oleh karena itu, AMR dioperasikan dengan konfigurasi jembatan Wheatstone (Zorlu, 2008).
Gambar II.4. Konfigurasi sensor efek Hall (Ripka, 2001a).
Aplikasi utama sensor efek Hall adalah sebagai sensor posisi dan kecepatan baik linier maupun angular, dan untuk pengukuran arus listrik
Gambar II.5. Konfigurasi sensor AMR (Zorlu, 2008). kedalaman permukaan menyebabkan resistansi dan induktansi material berubah (Ripka, 2003b).
II.2.3. Sensor Giant Magnetoresistance (GMR)
Kelebihannya adalah fabrikasi yang murah dan fleksibilitas tinggi sehingga cocok digunakan dalam aplikasi biomedis serta otomasi dan Efek GMR ini berdasarkan prinsip hamburan bergantung spin. Ketika kontrol pada industri. Kekurangannya adalah sulit mensaturasikan dua lapisan feromagnetik dipisahkan oleh material konduktor non- bagian tengah dari material pada frekuensi tinggi karena efek permukaan feromagnetik dan jika ketebalan struktur sensor lebih kecil dari jarak rata- sehingga ada eror histerisis magnetik (Garcia, 1999). Untuk rata yang ditempuh elektron, akan terjadi hamburan elektron diantara menguranginya digunakan proses annealing, tetapi mengganggu lapisan feromagnetik yang bergantung pada arah momen magnetiknya, kompatibilitas CMOS. Penggunaan lapisan berlapis-lapis meningkatkan prinsip kerja sensor GMR ditunjukkan Gambar II.6 (Barnett, 2008). Jika performa sensor tapi meningkatkan harga fabrikasi karena proses yang magnetisasinya searah, hamburan akan minimum dan resistansi struktur sangat komplek (Zhou, 2000). akan rendah. Resistansi maksimum akan tercapai ketika magnetisasinya berlawanan arah.
(a) (b) Gambar II.6. Ilustrasi gerakan elektron pada GMR. a) konfigurasi paralel, b) konfigurasi antiparalel (dimodifikasi dari Barnett, 2008).
II.2.4. Sensor Giant Magnetoimpedance (GMI)
Prinsip sensor ini adalah berdasarkan efek GMI, dimana medan magnet menyebabkan perubahan nilai impedansi yang tereksitasi dengan arus berfrekuensi tinggi. Permeabilitas dan kedalaman permukaan dari lapisan megnetik bergantung pada frekuensi eksitasi sebagai keadaan magnetik aktual dari suatu material. Perubahan permeabilitas dan
Bab III. Sensor Fluxgate dan Perkembangannya
III.1. Elemen Sensor Fluxgate
Kumparan eskitasi dan pick-up merupakan sebuah kumparan dengan panjang (l) yang diberi sejumlah lilitan (N) dari kawat halus berinsulasi (kawat email). Medan eksitasi yang muncul pada kumparan eksitasi disebabkan oleh arus bolak-balik (i) yang berasal dari rangkaian eksitasi. Untuk memudahkan memahami konsep timbulnya medan eksitasi akan ditinjau konsep medan magnet pada sebuah solenoida ( Gambar III. 2).
(III. 1)
B.d l = μ i
Gambar III. 2. Hukum Ampere untuk solenoida diberikan oleh persamaan (III.1), abcda
Gambar III. 1. (a). Konfigurasi dasar kumparan elemen fluxgate, (b) konfigurasi parallel fluxgate (Ando, dkk., 2006) dan (c) konfigurasi orthogonal elemen fluxgate (Zorlu, 2008). Kumparan solenoida ini akan menimbulkan medan magnet di tengah-tengah kumparan. Medan magnet tersebut dapat diketahui dengan menggunakan hukum Ampere. Ambil daerah cakupan integrasi pada daerah abcd seperti pada
Sensor
fluxgate
a. Fluxgate paralel: arah medan eksitasi sejajar dengan medan eksternal yang diukur, pada konfigurasi ini, medan eksitasi sejajar dengan medan eksternal. Mekanisme eksitasi dan deteksi saling bergantung satu sama lain sehingga pembuatannya tidak bisa terpisah. Panjang inti dapat mempengaruhi medan eksitasi dan rentang medan magnet yang dapat diukur.
berfungsi untuk menangkap perubahan fluks magnetik yang dihasilkan oleh kumparan eksitasi. Perubahan fluks pada kumparan eksitasi disebabkan perubahan sifat magnetisasi bahan inti. Berdasarkan arah medan eksitasi yang dihasilkan oleh kumparan eksitasi, maka elemen fluxgate terdiri dari dua seperti di tunjukkan Gambar III. 1.b dan Gambar III. 1.c.(Zorlu, 2008), yaitu:
up
), kumparan pick-up (pick-up coil) dan inti feromagnetik (core), seperti ditunjukkan Gambar III. 1.a (Ando, dkk., 2006). Kumparan eksitasi berfungsi untuk menghasilkan medan eksitasi sedangkan kumparan pick-
coil
terdiri dari elemen fluxgate dan rangkaian pengolah sinyal. Elemen fluxgate terdiri dari kumparan eksitasi (excitation
b. Fluxgate orthogonal: arah medan eksitasi tegak lurus arah medan eksternal yang di ukur, Pada konfigurasi ini, medan eksitasi tegak lurus dengan medan eksternal. Desain sensor dengan konfigurasi ini dapat secara terpisah karena tidak bergantung satu sama lain. Panjang inti hanya mempengaruhi rentang medan magnet tapi tidak mempengaruhi medan eksitasi.
N i B (III. 4) l
Berdasarkan persamaan (III.4) terlihat besar medan magnetik B bergantung pada N, i dan l. Bentuk medan eksitasi bergantung kepada sumber arus eksitasi yang diberikan. Secara umum bentuk arus eksitasi dapat berupa sinus, segitiga, persegi atau pulsa yang berubah terhadap waktu (arus ac).
Medan magnet yang dihasilkan oleh arus eksitasi akan menginduksi inti feromagetik sehingga terjadi perubahan fluks magnetik didalam kumparan eksitasi. Perubahan fluks magnetik akan semakin besar sesaui dengan permeabilitas bahan yang digunakan sebagai inti.
d
Laju perubahan fluks magnetik ( ) akan ditangkap oleh kumparan
dt
Gambar III. 2. Sebuah solenoida yang dililitkan secara longgar (a),
pick-up
dalam bentuk gaya gerak listrik (ggl). Menurut Faraday ggl penampang solenoida dengan abcd adalah lingkar tertutup (b). merupakan tegangan induksi yang dihasilkan oleh sebuah kumparan yang dialiri arus bolak-balik (ac). Tegangan induksi ditunjukkan oleh
I Dengan nilai adalah arus yang terkandung dalam lengkung
persamaan (III.5), abcd. Bila dipisahkan untuk integral bagian ab, bc, cd, dan da, maka
integral bagian bc adalah nol karena d l = 0, sedangkan bagian cd=0
d V
, (III. 5) karena tidak ada medan magnetik diluar solenoida. Akibatnya
dt
persamaan (II.1) dapat disederhanakan menjadi (III.2):
dengan mensubsitusikan persamaan (III.4) kedalam persamaan (III.5) dan
B dl . B dl . (III. 2) b abcda ab
memasukan pengaruh permeabilitas bahan (µ ) maka persamaan (III.5) dapat ditulis ulang menjadi persamaan (III.6).
dB
B d l
karena sejajar dengan pada ab, maka sudut antara kedua vektor
V N S b (III. 6) dt tersebut adalah nol sehingga integral dl=l. Nilai l adalah panjang garis ab.
B dl . Bl (III. 3)
dimana S adalah luas penampang solenoida, dengan mengambil asumsi ab bahwa luas penampang solenoida sama dengan luas penampang inti yang digunakan.
Bila solenoida dengan panjang l terdapat N lilitan, dan setiap lilitan III.2.
Fluxgate dan Perkembangannya
dialiri arus I, maka persamaan (III.3) dapat ditulis ulang menjadi persamaan (III.4)
Fluxgate
pertama kali diperkenalkan pada tahun 1930. Fluxgate dengan segala kelebihannya selalu mengalami perkembangan baik dari teknologi pembuatan elemen fluxgate sendiri, rangkaian pengolah sinyal, model geometri elemen fluxgate maupun dalam bidang aplikasinya. b. Teknologi PCB
Beberapa aplikasi sensor fluxgate dapat dilihat pada Gambar III. 3.
Teknologi ini hanya digunakan untuk menggantikan peranan kawat Berbagai pendekatan telah dilakukan oleh para peneliti untuk email yang sering dililitkan secara manual pada kumparan eksitasi dan
pick-up
meningkatkan daya kerja fluxgate seperti: sensitivitas, akurasi, resolusi . Teknologi PCB dikembangkan semenjak tahun 1999 oleh Dezuari, dkk., dari Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne dan lain-lain. Beberapa pendekatan teknologi yang digunakan oleh para (Switzerland), kemudian menyusul Perez, dkk., 2004 dari Complutense de peneliti dalam mengoptimasi fluxgate, antara lain teknologi konvensional,
Madrid and Madrid Polytechnical University
teknologi PCB, teknologi mikro dan kombinasi dari ketiganya disebut (Spain), Choi, dkk., 2004 dari
Kangnung National University and Samsung Advanced Institute of Technology
teknologi hybrid. Setiap teknologi yang digunakan berbeda pada bentuk
in Suwon
(Korea), Baschirotto, dkk., 2004 dan 2006 dari University of sensor, material inti, teknologi penanaman inti, dan data kinerja sensor.
Lecce and University of Pavia in Italy
, Andò, dkk., 2004., dari University of Keempat teknologi ini berserta contoh elemen sensor yang telah berhasil
Catania (Italy) and Space and Naval Warfare Systems Center
, San Diego di kembangkan ditunjukkan Gambar III. 3. (USA), Tipek, dkk., 2005 dan Kubik, dkk., 2006 dari Cezch Tekhnical
University , Prague.
Pembuatan elemen sensor dengan teknologi PCB memliki proses yang sederhana dan murah sehingga biayanya murah. Kekuranganya adalah ukuran yang lebih besar dibandingkan konvensional apalagi jika dibandingkan dengan teknologi mikro.