rancang bangun sistem antarmuka digital sensor

Rancang Bangun Sistem Antarmuka Digital Sensor Mikrokantilever Menggunakan Mikrokontroller Arduino

Yoga Purna Tama1, Ratno Nuryadi2, Purnomo S Priambodo3

1Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, University of Indonesia 2 Center For Materials Technology, Agency Of Assessment and Application of Technology,

Building 224 Puspiptek, South Tangerang, Indonesia 15314 3Department of Electrcical Engineering, Faculty of Engineering, University of Indonesia

[email protected], [email protected] , [email protected]

Abstrak

— Perkembangan teknologi sensor terus meningkat pesat seiring dengan kebutuhan aplikasinya. Salah satunya

adalah sensor berbasis MEMS seperti mikrokantilever, yaitu sensor yang menggunakan pendeteksi perubahan

sifat mekanis sebagai transducer. Penelitian terhadap penggunaan sensor mikrokantilever relatif luas seperti di

bidang kimia, fisika, biologi, lingkungan, dan kedokteran. Terdapat dua metode pengukuran deteksi objek pada

sensor mikrokantilever, yaitu mode statis yang mengukur langsung defleksi yang terjadi, dan ada pula mode

dinamis yang mengukur pergeseran frekuensi resonansi karena deteksi objek tertentu. Pada mode dinamis,

proses menentukan frekuensi resonansi dilakukan dengan cara mengatur function generator secara manual dan

mengamati pergeseran frekuensi resonansi dengan menggunakan Oscilloscope. Tujuan riset ini adalah untuk

membuat sistem yang mampu secara otomatis menggeser frekuensi yang diberikan ke mikrokantilever dan

mempermudah pengambilan data sehingga data dapat langsung terkomputerisasi. Sistem antarmuka

menggunakan mikrokontroller Arduino Uno yang digunakan sebagai Digital to Analog Converter (DAC)

sekaligus menjadi Analog to Digital Converter (ADC). Sebagai DAC, mikrokontroller akan memberikan

tegangan PWM yang dikonversi menjadi tegangan analog dan dihubungkan dengan rangkaian Voltage Control

Oscillator (VCO) sehingga mampu menggetarkan mikrokantilever. Sebagai ADC, Arduino akan mengolah data

hasil konversi frekuensi yang dilakukan oleh IC LM2907 dan hasil konversi amplitudo yang dilakukan oleh

rangkaian dengan prinsip penyearah. Nilai tegangan hasil konversi tersebut akan menjadi nilai masukan pada pin

input analog Arduino Uno. Untuk tampilan grafik digunakan perangkat lunak Processing dan Labview. Sistem

ini telah diujicobakan untuk pendeteksian gas, yang hasilnya dapat mendeteksi perubahan frekuensi resonansi

secara otomatis serta mampu menampilkan data secara realtime. Perbandingan data dengan metode manual

menunjukkan bahwa sistem yang dikembangkan telah bekerja dengan normal.

Kata kunci — Mikrokantilever, Mode Dinamis, Arduino Uno, Mikrokontroller, Voltage Control Oscillator.

Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015

2

Design And Development of Digital Interface for Microcantilever Sensor System

Based On Arduino Microcontroller

Abstract

The development of sensor technology increases rapidly in line with the needs of the application. One is a

mechanical sensor such as microcantilever sensor, which uses change in its mechanical properties as a

transducer. Research in the use of microcantilever sensors is relatively broad in fields such as chemistry, physics,

biology, environment and medicine. There are two methods of measuring object detection, i.e., static mode

which measures the deflection that occurs immediately, and dynamic mode which measures the shift in the

resonance frequency due to the detection of a specific object. So far, resonance frequency shift is generally

monitored by using the oscilloscope and function generator manually. The purpose of this research is to design a

system which is capable to sweep the frequency given to microcantilever automatically and also facilitate the

retrieval of data in digital form, so that the data can be directly computerized. In this research the system

interface uses an Arduino microcontroller. The microcontroller is used as a Digital to Analog Converter (DAC)

as well as an Analog to Digital Conveter (ADC). The DAC function is used to sweep the frequency

automatically. The PWM output from Microcontroller is connected to a Voltage Control Oscillator (VCO) which

will oscillate the microcantilever. In the other hand, the ADC function is used to read sensor output. The

principle, the value of the frequency of an electronic circuit sensor system is converted into a voltage value using

the IC LM2907, while the amplitude value will be converted using an Amplitude to Voltage Converter circuit.

These voltage values become the value entered in the analog pin Arduino Uno. In programming, the voltage

value is converted into a frequency and amplitude value. To display the data in graphical form, we use software

named Processing and Labview. The system has been tested for gas detection. The result shows that the system

successfully detect resonance frequency shift automatically and display the data in realtime. The data

comparison with manual method also suggest that the system works normally.

Keyword — : Arduino Uno, Dynamic Mode, Gas, Microcantilever, Microcontroller

1. PENDAHULUAN

Sensor mikrokantilever telah menarik perhatian beberapa dekade terakhir karena

pemanfaatannya sebagai sensor gas berkaitan dengan sensitivitasnya yang tinggi. Percobaan

pertama adalah pada tahun 1968 ketika Wilfinger et al. menyelidiki penggunaan struktur

kantilever silikon berukuran 50 x 30 x 8 mm3 , yang saat itu cukup untuk mendeteksi

resonansi frekuensi [1]. Penggunaannya dalam berbagai bidang meliputi kimia seperti

pengukuran tingkat keasaman [2] ataupun dalam bidang kedokteran seperti mempelajari

reaksi antara serum anti-bovine dengan serum bovine [3]. Sensivitasnya yang tinggi


3

diandalkan karena respon sensor mikrokantilever hanya membutuhkan sedikit analit atau

substance yang menempel pada sensor [4-7].

Prinsip pendeteksian pada sensor mikrokantilever adalah pada perubahan massa pada

permukaan mikrokantilever. Perubahan massa ini disebabkan adanya zat yang menempel pada

permukaan mikrokantilever. Untuk menspesifikkan zat yang diinginkan biasanya pada

permukaan mikrokantilever ditambahkan lapisan sensitif yang dapat mengikat secara khusus

gas yang dikehendaki tersebut. Mode operasi pada sensor mikrokantilever terdiri dari mode

statis dan mode dinamis. Pada mode statis pengukuran defleksi langsung diukur, sedangkan

pada mode dinamis parameter yang diukur adalah pergeseran frekuensi resonansi dari vibrasi

mikrokantilever.

Teknik deteksi defleksi yang umum digunakan antara lain teknik piezoresistif, kapasitif

dan optik. Pada metode piezoresistif, defleksi yang terjadi akan mempengaruhi nilai resistif

dari bahan. Perubahan nilai resistif ini diukur menggunakan jembatan wheatstone [8]. Pada

metode kapasitif, didesain sedemikian rupa sehingga defleksi yang terjadi akan

mempengaruhi perubahan nilai kapasitansi bahan. Biasanya akan dibuat dua elektroda dimana

satu elektroda diam, dan satu elektroda bergerak, yaitu mikrokantilever yang dijadikan target

tempet menempelnya zat yang diinginkan. Defleksi yang terjadi akan merubah jarak kedua

elektroda, yang juga mengubah nilai kapasitansinya [9]. Kemampuan deteksi massa pada

sensor berbasis mikrokantilever ini dapat dimanfaatkan untuk mendeteksi partikel kimia

maupun biologi yang berukuran hingga femtogram atau attogram, seperti partikel gas. Selama

ini, beberapa publikasi memaparkan deteksi gas yang menggunakan sensor berbasis

mikrokantilever. Huet al. telah mempelajari adsorpsi gas hidrogen pada lapisan paladium dan

adsorpsi merkuri pada lapisan emas melalui perubahan stress (tegangan permukaan) pada

mikrokantilever biomaterial [10]. Selain itu, deteksi gas hidrogen berbasis mikrokantilever

juga dilakukan oleh Baselt et al. dan Fabre et al. Zhou et al. [11-12] menggunakan

mikrokantilever piezoelektrik self-excited dengan lapisan zeolite untuk mendeteksi freon

dengan konsentrasi 10 ppm [13]. Mertens et al. [14] melakukan deteksi gas HF menggunakan

mikrokantilever SiO2 yang dilapisi Si3N4 dengan kisaran 0.26-13 ppm. Kooser et al.

menggunakan mikrokantilever piezoresistif untuk mendeteksi karbon monoksida (CO)

menggunakan lapisan sensitif nikel yang mengandung polietilen oksida (PEO) [15]. Porter et

al. melakukan deteksi HCN menggunakan mikrokantilever piezoresistif hingga konsentrasi

150 ppm [16].

Penggunaan mikrokantilever dengan berbagai metode deteksinya membutuhkan sistem

antar muka bagi pengguna untuk melihat hasil pengukuran. Kung et al [17] contohnya telah


4

merancang sistem antar muka digital untuk pendeteksian sensor mikrokantilever

menggunakan metode kapasitif. Umumnya pada pengukuran hasil deteksi mikrokantilever

masih menggunakan data analog melalui Oscilloscope atau Spectrum Analyzer, terutama pada

pengukuran pergeseran frekuensi resonansi. Karena itu pengambilan datanya pun dilakukan

secara manual. Dalam rangka mewujudkan pengambilan data secara real time dengan

komputer maka pada riset kali ini dikembangkan sistem antar muka digital menggunakan

Arduino Uno. Penggunaan Arduino Uno ini juga memungkinkan pengembangan selanjutnya,

karena Arduino Uno dapat di program dengan menambahkan modul-modul lain sesuai

kebutuhan [18-19]..

2. DASAR TEORI

2.1 Mikrokantilever

Sensor adalah alat yang mendeteksi ataupun mengukur sebuah sinyal. Sinyal merupakan

besaran fisika. Lebih jauh sensor adalah sebuah transducer, yaitu alat yang merubah bentuk

energi dari satu bentuk besaran fisika ke bentuk besaran fisika lainnya. Umumnya sensor

mengubah bentuk energi yang terdeteksi menjadi bentuk energi listrik untuk diukur.

Salah satu metode sensing pada sensor yang sedang berkembang adalah deteksi

mekanis. Deteksi mekanis menekankan pada adanya energi mekanis yang mengenai sensor

lalu dari sensor tersebut energi mekanis tadi diubah ke bentuk energi listrik ataupun parameter

kelistrikan lainnya. Salah satu sensor mekanis yang sedang berkembang sekarang adalah

sensor mikrokantilever..

Riset tentang mikrokantilever sebagai sensor telah dua dekade lebih dilakukan. Pada

tahun 1971, Heng menggunakan kantilever berlapis emas yang di coupled dengan jaringan

mikrostrip untuk memperbaiki sirkuit oscillator frekuensi tinggi secara mekanis [20].

Selanjutnya pada tahun 1979, Petersen membuat konstruksi kantilever sebagai membrane

switches pada silikon yang mengisi ruang kosong antara transistor silikon dan relay

elektromagnetik mekanik [21]. Pengembangan atas mikrokantilever terus berlanjut, Kolesar et

al. menyarankan penggunaan kantilever sebagai detector syaraf pada tahun 1985 [22]. Untuk

meningkatkan sensitivitas pada mikrokantilever, pada tahun 1994 Itoh dan Suga membuat

kantilever yang di lapisi (coated) dengan lapisan tipis zinc oksida melalui metode deteksi

piezoresistif [23]. Cleveland et al. melaporkan penelusuran nilai frekuensi resonansi untuk

mendeteksi perubahan massa dalam nanogram ketika partikel kecil didepositkan pada ujung

probe AFM [24]. Thundat et al. menunjukkan bahwa frekuensi resonansi maupun defleksi

statis dipengaruhi oleh kondisi tertentu seperti kelembaban dan lebih jauh dapat dipengaruhi


5

oleh kondisi termal [25]. Percobaan pertama kantilever sebagai sensor kimia dilakukan oleh

Gimzewski et al. yang menggunakan metode defleksi statis pada kantilever untuk mendeteksi

zat kimia dengan sensitivitas tinggi [26]. Kemudian, Thundat mengobservasi perubahan nilai

frekuensi resonansi akibat penyerapan zat analit pada permukaan kantilever [27]. Perubahan

frekuensi telah diketahui disebabkan oleh adanya massa zat atau akibat penyerepan zat yang

menyebabkan perubahan konstanta pegas (spring constant) kantilever. Dengan melapisi

lapisan kantilever dengan bahan higroskopis seperti asam fosfat atau gelatin, kantilever dapat

mendeteksi perubahan massa uap air dalam satuan pikogram.

Gambar 1. Skematik Mikrokantilever [28]

Gambar diatas adalah bagan skematik mikrokantilever. Nomor satu dan dua adalah

bagian fixed dari snsor mikrokantilever, bagian yang tidak bergerak. Nomor tiga adalah ujung

bagian statis. Nomor empat dan lima adalah bagian yang bergerak, nomor lima adalah lapisan

bawah, sedangkan nomor empat adalah lapisan atas yang biasanya digunakan untuk sensing.

Sensor mikrokantilever memiliki prinsip deteksi pengukuran terhadap defleksi yang

terjadi pada mikrokantilever karena adanya objek yang terletak pada permukaan

mikrokantilever. Prinsip defleksi dari mikrokantilever itu memiliki dua mode. Mode tersebut

adalah dinamis dan statis. Mode dinamis mendeteksi perubahan frekuensi resonansi dari

mikrokantilever, sedangkan mode statis mendeteksi langsung dari defleksinya.

2.2 Teknik Optik

Teknik optik merupakan salah satu teknik yang digunakan untuk pengukuran

mikrokantilever yang memanfaatkan laser dan pendeteksi cahaya. Sebelumnya dibuat

rangkaian untuk menghasilkan laser yang nantinya akan dipantulkan ke mikrokantilever

menuju photo detector. Dengan adanya molekul yang menempel pada mikrokantilever

menyebabkan peningkatan massa pada mikrokantilever sehingga mikrokantilever tersebut

berdefleksi sehingga pantulan laser yang ditangkap photodetector pun berubah. Efeknya

adalah terjadi perubahan frekuensi resonansi yang akan dibahas pada bagian berikutnya.

Selanjutanya rangkaian dari photo detector akan menangkap perubahan dari laser yang

dipantulan sehingga menghasilkan output dari mikrokantilever.


6

2.3 Rangkaian Laser

Rangkaian laser digunakan sebagai sumber cahaya untuk dipantulkan ke

mikrokantilever menuju photo detector.

Gambar 2. Rangkaian Laser

Rangkaian laser yang digunakan seperti pada Gambar 2. Beberapa komponen yang

digunakan diantaranya adalah BJT dengan tipe KSA 1015, LED, dan dioda laser sebagai

penghasil cahaya. Selain itu terdapat pula kapasitor dan resistor. Dari sumber tegangan

sebesar 5V, arus mengalir menuju kapasitor didekat dioda laser. Selain itu arus juga langsung

menuju ke dioda laser atas melalui percabangan sebelum masuk ke kapasitor. Sebelum

menuju ke percabangan diatas kapasitor dekat dioda, arus terbagi dan mengalir menuju

kapasitor terjauh yang terletak di paling kanan dari rangkaian. Percabangan sebelum kapasitor

tersebut membagi arus menuju ke BJT yang nantinya akan mengalirkan ke dioda laser bawah.

Begitu seterusnya rangkaian berjalan. Percabangan sebelum kapasitor paling kanan juga

mengalirkan arus menuju LED yang merupakan indikator jika lasernya menyala. Jadi jika

laser memancarkan cahaya maka LED juga akan menyala. Diode laser atas dan bawah

merupakan suatu kesatuan komponen.

2.4 Photo Detector

Photodetector atau dikenal dengan sensor pendeteksi cahaya biasanya terdiri dari dioda

yang peka terhadap cahaya. Sensor ini akan mengalami perubahan resistansi pada saat

menerima intensitas cahaya dan akan mengalirkan arus listrik secara forward sebagaimana

dioda bekerja secara aktif pada umumnya. Photodioda akan mengalirkan arus yang

membentuk fungsi linear terhadap intensitas cahaya yang diterima. Arus ini umumya teratur

terhadap power density (Dp). Perbandingan antara arus keluaran dengan power density

disebut current responsitivity. Arus yang dimaksud adlah arus bocor ketika photo diode

tersebut disinari dan dalam keadaan di reverse.


7

Gambar 3. Rangkaian Photodetector

Pada Gambar 3 terdapat dua penguat non-inverting dimana masing-masing memiliki

dua inputan sehingga terdapat empat inputan. Empat inputan tersebut berasal dari photo

diode. Dimana common cathode pada dua photo diode tersebut disatukan dan dihubungkan ke

ground. Sedangkan anoda dari masing-masing photo diode menjadi inputan dimasing-masing

penguat non inverting. Setelah dikuatkan, keluaran dari masing-masing penguat akan menjadi

masukan di op-amp untuk dibandingkan. Op-amp yang digunakan pada rangkaian ini berjenis

uPC815. Op-amp yang menerima dua keluaran dari masing-masing penguat non-inverting

bekerja sebagai komparator dimana keluarannya merupakan selisih dari dua masukan op-amp.

Setelah didapat selisih dari dua masukan dari komparator, kemudian diteruskan sebagai input

pada rangkaian integrator. Rangkaian integrator berfungsi juga sebagai low pass filter untuk

mengatenuasi masukan dan menghasilkan keluaran yang lebih stabil. Keluaran tersebutlah

yang menjadi keluaran akhir dari rangkaian photo detector.

Gambar 4. Skema Penerimaan Photodetector

Pengamatan yang telah dilakukan menggunakan rangkaian photo detector terlihat

seperti pada Gambar 4. Dimana laser ditempatkan pada tiga posisi yaitu tepat ditengah antara

dua photo diode, lebih dominan ke photo diode bagian atas dan lebih dominan ke photo diode

bagian bawah. Namun belum didapat hasil yang memuaskan karena sulitnya menentukan


8

bagian tengah dari dua photo diode yang sangat kecil ukuran divaisnya. Selain itu sulit pula

untuk mengarahkan laser agar lebih dominan pada salah satu bagian photo diode saja. Jadi

pada rangkaian photo detector ini belum mendapatkan data yang diinginkan.

2.5 Metode Piezoresistif

Piezoresistif adalah perubahan resistivitas suatu material yang disebabkan oleh stress

[29]. Resistivitas dapat meningkat atau menurun tergantung pada jenis material dan kondisi

beban. Beberapa material menunjukkan efek piezoresistif saat mengalami stress, seperti

logam dan semikonduktor, tetapi efek yang paling menonjol terlihat dalam semikonduktor.

Pada semikonduktor, efek piezoresistif sangat tergantung pada jenis dan konsentrasi dopan

serta temperatur [30].

Resistivitas material semikonduktor bergantung pada mobilitas muatan pembawa

(charge carrier). Jika mobilitas muatan dalam semikonduktor menurun maka resistivitasnya

besar, dan sebaliknya. Rumus mobilitas adalah sebagai berikut [31]:

µ=qt/m*

Pada persamaan diatas, q adalah muatan per unit muatan pembawa, t adalah mean free

time antara tumbukan pembawa, dan m* adalah massa efektif carrier dalam kisi kristal. t dan

m* bergantung pada jarak atom rata-rata pada kisi semikonduktor yang berubah dengan

adanya strain dan deformasi secara fisik. Rumus resistivitas (pada kasus semikonduktor tipe

p) adalah sebagai berikut [30]:

𝜌 = 1

𝑞 𝑝 𝜇!

2.6 Jembatan Wheatstone

Perubahan resistansi karena stress pada piezoresistor dapat diukur dengan

menggunakan teknik Wheatstone Bridge (Jembatan Wheatstone) [32]. Prinsip dasar dari

Jembatan Wheatstone adalah tercapainya titik keseimbangan dalam sebuah perhitungan

hambatan sehingga nilai resistansi pada resistor target pengukuran dapat diketahui [33],

seperti terlihat pada Gambar 5.


9

Gambar 5. Jembatan Wheatstone

Sirkuit jembatan Wheatstone dikonstruksi dengan piezoresistors R1 dan R2, dan resistor

eksternal R3 dan R4. Tegangan ΔV dapat didefinisikan sebagai ΔV = (R1R3 - R2R4) V/ (R1 + R2)

(R2 + R4), dimana Vis adalah tegangan yang diberikan. Formulasi ΔV dijelaskan di bawah ini.

Pada keadaan seimbang ΔV=0, makan Vad = Vab dan Vbc = Vdc. Dengan menggunakan Hukum

Kirchoff, maka:

Vad = Vab

Ix Rx = I1 R1

Maka didapat:

𝐼! = 𝐼!𝑅!𝑅!

Pada saat nilai ΔV=0 maka nilai Ibd = 0, sehingga I1 = I2 dan Ix = I3. Begitu juga untuk

persamaan:

Vbc = Vdc

I2 R2 = I3 R3

Dengan mengacu pada persamaan diatas maka didapat:

I1 R2 = Ix R3

𝐼!𝑅! = !!!!!!

𝑅!

Sehingga

𝐼!𝑅!𝑅! = 𝐼!𝑅!𝑅!

Dengan membagi kedua sisi dengan R1 maka


10

𝑅!𝑅! = 𝑅! 𝑅!

Sehingga dengan kondisi tersebut nilai Rx dapat diketahui:

𝑅! = !!!!!!

Untuk menentukan nilai perubahan tegangan (ΔV) yang terjadi, maka dapat menggunakan persamaan berikut:

𝛥𝑉 = !!!!! !!!!!!! !! (!!!!! )

𝑉

Nilai V adalah tegangan yang ada pada titik b-d dan merupakan selisih tegangan yang

melewati titik c-d dan titik b-c yang diperoleh dari penurunan persamaan berikut:

𝛥𝑉 = !!

(!!! !! ) 𝑉 − !!

!!! !! 𝑉

𝛥𝑉 = !!!!!!!!!!!!!!!!!!!

(!!!!!)(!!!!!) 𝑉

Jika nilai R1 = R3 = R + ΔR dan R2 = RX = R, maka nilai ΔV menjadi:

𝛥𝑉 = !! !"! !"!

(!!! ∆!) !

Dengan ΔR adalah perubahan nilai piezoresistansi. Karena nilai R jauh lebih besar dari

ΔR, maka nilai ΔV menjadi [43]:

𝛥𝑉 = !"!!

𝑉

2.7 Voltage Control Oscillator

Rangkaian Voltage Control Oscillator (VCO) adalah rangkaian elektronik yang mampu

menghasilkan gelombang dengan variasi frekuensi tertentu sesuai tegangan yang diberikan.

Dengan kata lain, frekuensi sinyal output dikontrol oleh tegangan input [34]. Secara umum

VCO dikategorikan ke dalam dua kelompok, yaitu:

a. Harmonics Oscillators.

b. Relaxation Oscillators.

Harmonic Oscillator menghasilkan gelombang output berbentuk sinyal sinusoidal.

Harmonics Oscillators umumnya terdiri dari resonator dengan amplifier yang berfungsi untuk


11

mengganti losses yang dihasilkan resonator sehingga amplitudo gelombang output tidak

menurun dan mengisolasi resonator dari pengaruh beban yang terdapat di output. Sedangkan

relaxation oscillator menghasilkan gelombang output berbentuk sinyal square ataupun

triangular. Relaxation Oscillators banyak digunakan pada integrated circuit (IC) dan mampu

menghasilkan output dengan frekuensi beragam menggunakan sedikit komponen tambahan

[35].

Salah satu IC yang digunakan sebagai VCO adalah LM 566. Pengontrolan frekuensi

gelombang output dilakukan oleh timing capacitor dan timing resistor. Gambar 6

menunjukkan blok diagram dari IC LM 565 [36].

Gambar 6. Blok Diagram IC LM 565

2.8 Frekuensi Resonansi

Dengan menggunakan mode dinamis, mikrokantilever diletakan pada piezoelektrik dan

piezoelektrik menerima tegangan dengan fungsi sinus. Akibat dari adanya tegangan,

piezoelektrik akan bergetar dengan frekuensi tertentu. Karena piezoelektrik bergetar, maka

piezoresistif akan mengikuti. Arti dari frekuensi itu sendiri adalah banyaknya getaran yang

terjadi dalam satu detik. Untuk menentukan frekuensi resonansi dari mikrokantilever bisa

menggunakan rumus berikut [37]:

𝑓 =12𝜋

𝑘!""𝑚!""

Dari persamaan diatas, keff adalah konstanta pegas efektif sedangkan meff adalah masa

efektif mikrokantilever.

𝑑𝑚𝑑𝑓 = −

2𝑚!""

𝑓!


12

Persamaan diatas dapat digunakan untuk menghitung perubahan nilai massa pada efektif

pada mikrokantilever akibat adanya zat yang menempel.

2.9 Arduino

Arduino adalah platform pembuatan prototipe elektronik yang bersifat open-source

hardware yang berdasarkan pada perangkat keras dan perangkat lunak yang fleksibel dan

mudah digunakan. Arduino ditujukan bagi para seniman, desainer, dan siapapun yang tertarik

dalam menciptakan objek atau lingkungan yang interaktif.

Arduino pada awalnya dikembangkan di Ivrea, Italia. Nama Arduino adalah sebuah

nama maskulin yang berarti teman yang kuat. Platform arduino terdiri dari arduino board,

shield, bahasa pemrograman arduino, dan arduino development environment. Arduino board

biasanya memiliki sebuah chip dasar mikrokontroler Atmel AVR ATmega8 berikut

turunannya [38].

2.10 Sistem Sensor

Dalam sistem sensor mikokantilever yang dikembangkan selama ini, dipergunakan dua

mikrokantilever. Satu mikrokantilever akan dilapisi dengan lapisan sensitif dan satu lagi tidak

dilapisi. Mikrokantilever yang tidak dilapisi akan berperan sebagai referensi. Masing-masing

mikrokantilever ini memiliki sistem sendiri. Pembacaan frekuensi dan amplitudonya pun

masing-masing. Satu sistem pendeteksian mikrokantilever metode optik terdiri dari:

a. Mikrokantilever

b. Function Generator dan bahan piezoelektrik

c. Rangkaian laser dan rangkaian photodiode

d. Oscilloscope

Gambar 7. Sistem Sensor Metode Optik


13

Gambar 8. Sistem Sensor Metode Piezoresistif

Dalam sistem deteksi mikrokantilever digunakan function generator untuk

menggetarkan bahan piezoelektrik. Getaran secara periodik ini akan mengakibatkan pantulan

sinar laser juga berubah-ubah pada photodetector. Ini dinamakan percobaan mode dinamis.

Pada percobaan mode dinamis akan dilihat pergeseran frekuensi resonansi dan juga amplitudo

yang terbaca pada oscilloscope. Gambar 8 menunjukkan sistem sensor mikrokantilever

piezoresistif. Sama halnya dengan metode optik, pengoperasian mode dinamis juga

digunakan. Kemudian akan diamati dan dibandingkan frekuensi resonansi antara sensor yang

belum di-coating dan sensor yang telah di-coating sekaligus dialiri gas CO2.

3. PERANCANGAN SISTEM DIGITAL

Dalam bagian ini akan diuraikan perancangan sistem antarmuka digital dalam bentuk

tahapan desain yang dilakukan. Diantaranya adalah penjelasan mengenai pembuatan

antarmuka antara sistem elektronik dengan mikrokontroler meliputi perancangan sirkuit

analog yang berfungsi untuk mengkonversi besaran frekuensi hasil keluaran detektor pada

sistem sensor menjadi besaran tegangan DC dan juga perancangan sirkuit elektronik untuk

mengubah nilai amplitude hasil keluaran detektor pada sistem sensor menjadi besaran

tegangan DC. Setelah rangkaian konverter selesai dibuat, berikutnya adalah merancang

interface mikrokontroler dengan komputer menggunakan Arduino Uno dan aplikasi

Processing serta Labview.

3.1 Sistem Antarmuka Digital

Pada bab 2 telah dijelaskan mengenai cara kerja sensor mikrokantilever. Dimana terjadi

proses pendeteksian perubahan massa yang menempel pada mikrokantilever yang selanjutnya

akan mempengaruhi perubahan nilai frekuensi resonansi dari mikrokantilever dan juga nilai

amplitudo nya. Perubahan-perubahan nilai tersebutlah yang akan dianalisa. Gambar 3.1


14

menunjukkan sistem sensor microcantilever, yang terdiri dari blok set microcantilever yang

ditempatkan di atas bahan piezoelektrik, detector frekuensi resonansi, interfacing sistem

(konverter frekuensi ke tegangan (FVC) dan converter amplitudo ke tegangan (AVC)), dan

komputer. Osiloskop digunakan untuk memantau frekuensi resonansi microcantilever secara

manual. Piezoelektrik digetarkan oleh function generator. Getaran microcantilever diukur

dengan rangkaian elektronik (detektor vibrasi) yang dapat mendeteksi nilai frekuensi dan

amplitudo.

Gambar 9. Rancangan Sistem Digital

Output dari detektor vibrasi adalah dalam bentuk gelombang sinus. Sejauh ini,

umumnya terdapat dua jenis microcantilever konvensional, yaitu: microcantilever dengan

frekuensi resonansi rendah (10-50 KHz) dan dengan frekuensi resonansi tinggi (200-400

KHz) [7, 39]. Sebelum merancang sistem antarmuka digital, pemantauan nilai frekuensi dan

amplitudo dilakukan secara manual menggunakan osiloskop.

3.2 Frequency to Voltage Converter

Untuk memastikan tegangan input ke mikrokontroler adalah tegangan dc dengan nilai

maksimum 5 volt, kita menggunakan perangkat analog yang mampu mengubah nilai

frekuensi menjadi nilai tegangan langsung. Pada riset ini, skema sirkuit konverter yang

digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.3 [40].

Gambar 10. Skematik FVC


15

Dalam rangkaian ini, kita menggunakan IC LM2907 yang mampu mengubah frekuensi

menjadi tegangan DC sebagai output tanpa dipengaruhi oleh amplitudo masukan. Rangkaian

bekerja normal hanya ketika nilai kapasitor dan resistor memenuhi beberapa persyaratan.

Kapasitor pada pin 2 (C1) berfungsi sebagai charge pump, kapasitor pada pin 3 (C2) sebagai

ripple remover, dan resistor (R1) pada pin 3 sebagai pembatas arus. Di sini, nilai arus yang

melalui C1 / CPO harus kurang dari 200µA. Besarnya tegangan output dapat dihitung dengan

rumus [40].

𝑉!"# = 𝑉!! . 𝑓!" .𝐶!.𝑅!

Pada desain rangkaian ini, output maksimum telah diatur sebesar 4V. Oleh karena itu,

kita menggunakan kapasitor 94 pF untuk C1 dan resistor 24 KΩ untuk R1. Berdasarkan

perhitungan, rangkaian FVC ini mampu digunakan dengan frekuensi input hingga 360 KHz.

3.3 Amplitude to Voltage Converter

Selanjutnya, kita merancang sebuah rangkaian yang mampu mengkonversi nilai

amplitudo menjadi tegangan dc. Skema rangkaian dapat dilihat pada Gambar 10.

Gambar 11. Skematik AVC

Rangkaian konverter ini bekerja dengan prinsip penyearah tegangan yaitu menggunakan

dioda D1. IC pertama dan ketiga digunakan sebagai buffer untuk memperkuat sinyal dan

melindungi sinyal yang masuk dari noise yang dihasilkan. IC kedua berfungsi sebagai voltage

shifter (voltage bias), yaitu penambahan tegangan. Penyearah tegangan hanya akan

menyearahkan tegangan AC (gelombang sinus) yang bernilai positif atau berada diatas sumbu

x. Namun pada kenyataannya beberapa kali output dari sensor yang berupa gelombang sinus

berada di bawah sumbu x sehingga kita perlu memodifikasi sinyal tersebut dengan cara

menambahkan DC bias agar dapat disearahkan dan terbaca pada mikrokontroller. Output dari

rangkaian ini berada setelah dioda D1.

3.4 Voltage Control Oscillator


16

Langkah selanjutnya dalam perancangan sistem digital ini adalah membuat Voltage

Control Oscillator (VCO). Tujuan dari perancangan VCO adalah untuk menggantikan fungsi

function generator sebagai penggetar sensor mikrokantilever. Output dari VCO akan dikontrol

oleh mikrokontroller Arduino Uno, sehingga frekuensinya dapat berubah-ubah secara

otomatis dalam jangka waktu tertentu. Penggeseran frekuensi secara otomatis akan

menghasilkan grafik pergeseran frekuensi resonansi dan amplitudo secara real-time dan

datanya dapat tersimpan secara digital.

Gambar 12. Skematik VCO

Pada Gambar 12 dapat dilihat bahwa rangkaian VCO menggunakan empat buah IC

dengan masing-masng fungsi. Input sinyal pulse width modulation (PWM) yang berasal dari

mikrokontroller (DAC) akan terlebih dahulu dijadikan sinyal analog oleh R1 dan C1. Besar

tegangan sinyal analog ini akan diatur oleh potensiometer 1 (P1). Proses penambahan

tegangan terjadi pada IC 2 yang besarnya diatur oleh potensiometer 2 (P2). Hasil penambahan

tegangan ini kemudian akan menjadi input bagi IC 3. Untuk menghasilkan gelombang yang

berosilasi, digunakan IC LM565 sebagai IC 3 yang salah satu fungsinya adalah sebagai VCO.

Besar tegangan yang masuk ke IC 3 inilah yang akan mengatur besar frekuensi output. Untuk

mengatur amplitudo sinyal output dari VCO, dilakukan proses penambahan tegangan pada IC

4 yang diatur oleh potensiometer 4 (P4).

3.5 Pemrograman Mikrokontroller

Setelah melalui rangkaian analog, hasil konversi tegangan dimasukkan ke pin analog

pada mikrokontroller. Mikrokontroller yang digunakan adalah Arduino Uno. Alasan

penggunaan Arduino Uno adalah karena kemudahan dalam integrasi modul-modul yang dapat

ditambahkan sesuai keinginan dan fungsi. Tegangan hasil konversi AVC dan FVC

dimasukkan ke pin analog A0 dan A1 pada Arduino Uno.

.


17

Gambar 13. Flowchart Pemrograman Mikrokontroller

Pada Arduino IDE, riset ini menggunakan Standard Firmata Code, yaitu protocol

standard untuk membaca nilai tegangan yang dimasukkan ke pin analog Arduino. Proses

scanning ini memungkinkan beberapa nilai tegangan sekaligus dapat dibaca dan diproses.

Setelah Arduino berhasil membaca nilai tegangan pada pin analognya, nilai ini dikonversi

menjadi nilai digital. Untuk menghasilkan grafik, digunakan aplikasi Processing. Aplikasi ini

menggunakan bahasa yang sama dengan Arduino dan dapat sekaligus mengimport data dari

Arduino. Sehingga grafik pertama adalah hasil pembacaan pada pin A0, grafik kedua adalah

hasil pembacaan pin A1 dan seterusnya.

Gambar 14. Flowchart Pemrograman Mikrokontroller dengan VCO

Selain itu, Arduino juga digunakan sebagai DAC, dimana Arduino diprogram untuk

menghasilkan tegangan PWM yang berubah-ubah setiap detik. Pada pemrograman, nilai


18

PWM yang diberikan adalah 0-255. Kemudian untuk tampilan GUI digunakan perangkat

lunak Labview. Pada tampilan GUI terdapat tombol start untuk memulai program. Tegangan

PWM akan dikeluarkan sekaligus grafik pembacaan frekuensi dan amplitudo juga

ditampilkan. Prinsip program ini adalah sekali dijalankan dan langsung tergambar grafiknya

sekaligus data frekuensi dan amplitudonya tersimpan dalam bentuk txt sehingga dapat

langsung diolah.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Ujicoba Rangkaian Frequency to Voltage Converter

Untuk mengetahui kemampuan rangkaian konverter, maka sebelum digunakan pada

sistem sensor dilakukan terlebih dahulu benchmarking. Berdasarkan desain dan perhitungan

pada Bab III, FVC pada riset ini seharunya mampu bekerja hingga frekuensi 360 KHz.

Namun dari hasil benchmarking, didapat bahwa frekuensi maksimum sebelum terjadinya

nonlinearitas adalah ~200KHz. Ini disebabkan sifat nonlinearitas IC LM 2907 yang

digunakan, karena saat diberi frekuensi lebih dari 10KHz akan terjadi nonlinearitas 1%

sehingga disimpulkan bahwa apabila frekuensinya sangat tinggi nilai nonlinearitas juga akan

naik..

4.2 Ujicoba Rangkaian Amplitude to Voltage Converter

Benchmarking juga dilakukan pada AVC untuk mengetahui karakteristik tegangan

output yang dihasilkan. Benchmarking dilakukan menggunakan sinyal yang dihasilkan oleh

function generator. Prinsip kerja AVC yang menyerupai rangkaian penyearah menghasilkan

tegangan output berupa tegangan DC yang besarnya ½ dari besar tegangan input. Terdapat

selisih sekitar 20% juga yang disebabkan noise yang terjadi pada rangkaian.

4.3 Ujicoba Sistem Antarmuka Dengan vibrator Function Generator pada Mikrokantilever

Setelah rangkaian konversi dipastikan dapat bekerja, langkah selanjutnya adalah

menguji coba pada vibrasi mikrokantilever. Tampilan pada komputer menggunakan perangkat

lunak Processing dan pemrograman Arduino Uno. Pada Gambar 16 dapat dilihat tampilan

grafik real time frekuensi dan amplitudo yang dihasilkan oleh sensor.


19

Gambar 15. Pengujian Sensor Piezoresistif

Mikrokantilever yang digunakan adalah sensor mikrokantilever piezoresistif yang

memiliki frekuensi resonansi 39-40 KHz. Untuk menggetarkan sensor mikrokantilever ini,

dipergunakan function generator dan secara manual dinaikkan frekuensinya secara bertahap.

Tampilan pada komputer masih memiliki beberapa kekurangan diantaranya adalah belum

terdapat garis x sebagai fungsi waktu dan nilai yang ditampilkan belum tepat 100%. Namun

dapat terlihat pengaruh pergeseran frekuensi terhadap nilai amplitudo yaitu terdapat satu titik

nilai frekuensi dimana nilai amplitudonya mencapai nilai maksimum. Titik frekuensi inilah

yang disebut frekuensi resonansi sensor.

4.4 Ujicoba Sistem Antarmuka Dengan Vibrator VCO (Voltage Control Oscillator) pada

Mikrokantilever

Ujicoba pertama adalah menggunakan VCO pada mikrokantilever metode optik. Hasil

dari ujicoba ini dapat dilihat pada Gambar 16.

Gambar 16. Grafik data sensor mikrokantilever metode optik.


20

Dari Gambar 17 dapat dilihat bahwa sistem ADC dapat membaca perubahan nilai

amplitudo saat terdapat variasi nilai frekuensi keluaran VCO yang dimulai (starting

frequency) dari 31.54 KHz dan digeser sampai 29.32 KHz. Namun nilai frekuensi vibrasi

mikrokantilever tidak dapat terbaca. Ini disebabkan nilai amplitudo yang dihasilkan dari

vibrasi mikrokantilever sangat kecil sehingga sistem konverter frekuensi ke tegangan tidak

bekerja normal.

Langkah selanjutnya pada riset ini adalah mengujicoba rangkaian konverter pada sensor

mikrokantilever piezoresistif yang digetarkan dengan VCO. Penggunaan VCO dimaksudkan

agar secara otomatis mikrokantilever dapat digetarkan pada sebuah rentang frekuensi tertentu.

Untuk mengontrol VCO, digunakan pula Arduino Uno yang berfungsi sebagai DAC (Digital

to Analog Converter), sehingga dapat terlihat pergeseran nilai amplitudo serta frekuensinya.

Gambar 17. Tampilan GUI Labview

Karena kekurangan pada penggunaan perangkat lunak Processing, maka untuk

mengintegrasikannya dengan VCO dipergunakanlah perangkat lunak Labview. Berbeda

dengan Processing, pada tampilan Labview akan didapat grafik setiap sekali frequency sweep

atau saat fungsi DAC nya digunakan. Pada saat running fungsi DAC juga akan ada fungsi

save dimana nilai frekuensi dan amplitudo yang terdeteksi oleh Arduino akan disimpan dalam

bentuk .txt sehingga dapat dibuat grafik dan dianalisa pergeserannya.


21

Gambar 18. Grafik Output DAC

Gambar 18 menunjukkan nilai yang dikeluarkan oleh Arduino sebagai DAC. Arduino

mengeluarkan sinyal Pulse Width Modulation (PWM) bernilai 0-255. Nilai ini berubah-ubah

setiap detik dan dihubungkan ke rangkaian VCO sehingga frekuensi output dari VCO juga

akan berubah-ubah. Frekuensi ini yang akan menggetarkan mikrokantilever.

Gambar 19. Grafik Data Sensor Mikrokantilever Piezoresistif Sebelum Proses Coating

Gambar 20. Grafik Data Pada Zona Pengujian

Pada Gambar 19 dan 2 terlihat grafik nilai frekuensi dan amplitudo dari mikrokantilever

piezoresistif yang belum melalui proses coating ZnO. Pergeseran menggunakan VCO dimulai

dari frekuensi yang nilai sedikit lebih tinggi dari frekuensi resonansinya lalu bergeser turun

secara otomatis sejauh 1-2 KHz dan akan bergeser lagi ke nilai frekuensi awal/starting. Zona

pengujian yang dimaksud pada gambar adalah saat nilai frekuensi yang terbaca sesuai dengan

frekuensi output VCO. Berdasarkan data yang tersimpan, nilai frekuensi resonansi sensor

adalah 40.016 KHz.

4.5 Ujicoba Sistem Antarmuka Digital Untuk Deteksi Gas

Proses pengujian menggunakan VCO pada mikrokantilever piezoresistif dilakukan pada

beberapa kondisi, yaitu:

a. Kondisi awal sebelum coating ZnO.

b. Kondisi setelah coating.


22

c. Kondisi setelah coating, sebelum dialiri gas CO2.

d. Kondisi dialiri gas CO2 selama sepuluh menit (gas ON).

e. Kondisi saat gas CO2 dikeluarkan dari chamber (gas OFF).

Gambar 21. Siklus Gas

Pada masing-masing kondisi dilakukan pengambilan data sebanyak lima kali. Kondisi

pertama adalah pada saat sensor mikrokantilever belum di¬-coating. Pada subbab 4.4 telah

ditampilkan grafik data sensor mikrokantilever piezoresistif saat belum di-coating.

Berdasarkan data yang tersimpan, diketahui bahwa frekuensi resonansi awal mikrokantilever

adalah 40.016 KHz.

Kemudian dilakukan proses coating sensor mikrokantilever piezoresistif dengan zat

ZnO. Setelah proses coating selesai dilakukan lagi proses pengujian untuk melihat frekuensi

resonansi dan amplitudo. Frekuensi starting pada kondisi ini adalah 28.34 KHz.

Gambar 22. Grafik Sensor Setelah Proses Coating


23

Gambar 23. Grafik Data Sensor Pada Kondisi A

Gambar 24. Grafik Data Sensor Pada Kondisi B

Gambar 25. Grafik Data Sensor Pada Kondisi C

Gambar 26. Grafik Data Sensor Pada Kondisi D


24

Gambar 27. Grafik Hubungan Frekuensi dan Amplitudo

Gambar 28. Grafik Data Sensor Pada Kondisi E

Gambar 29. Grafik Hubungan Frekuensi dan Amplitudo

Pada pengujian menggunakan VCO, terlihat adanya ketidaksimetrisan bentuk grafik

yang mengindikasikan perbedaan nilai yang terbaca pada saat frekuensi digeser pertama kali

dengan ketika frekuensi kembali ke frekuensi starting. Berdasarkan pengamatan data yang

tersimpan, perbedaan nilai ini tidak terlalu besar, lebih disebabkan pada proses perkalian pada

coding Labview. Perbedaan nilai frekuensi dengan tegangan hasil konversi sangat kecil

sehingga mengurangi akurasi data sesungguhnya.


25

Selain menggunakan VCO, pengujian juga dilakukan menggunakan metode manual

yaitu pengaturan melalui Oscilloscope. Pengujian secara manual dilakukan untuk

membandingkan data yang didapat.

Gambar 30. Grafik Perbandingan Metode Manual dan Menggunakan VCO

Perbandingan nilai yang terbaca melalui sistem digital dengan sistem manual

(Oscilloscope) dapat dilihat pada Gambar 30. Data manual dan data VCO diambil eksperimen

dalam kondisi yang berbeda (selisih beberapa jam). Terdapat perbedaan hasil pembacaan

sekitar 1-2 KHz. Hal ini disebabkan oleh noise yang dihasilkan oleh rangkaian sistem digital

dan sensor mikrokantilever piezoresistif. Selain itu juga faktor pengali bilangan pada coding

Arduino berpengaruh pada hasil pembacaan. Namun secara umum sistem digital ini telah

mampu menampilkan respon sensor mikrokantilever piezoresistif terhadap aliran gas.

5. KESIMPULAN

Telah dilakukan desain dan pengembangan sistem elektronik untuk deteksi frekuensi

resonansi mikrokantilever dan sistem antarmuka digital dengan menggunakan

mikrokontroller. Ringkasan hasilnya sebagai berikut:

• Rangkaian konverter berupa Frequency to Voltage Converter (FVC) dan Amplitude to

Voltage Converter (AVC) sebagai bagian dari sistem antarmuka digital telah berhasil dibuat

dan bekerja sesuai fungsinya dengan nilai maksimum frekuensi yang dapat dikerjakan oleh

FVC sampai 200 KHz.

• Perangkat lunak Processing mampu menampilkan grafik secara real-time namun sulit untuk

aplikasi DAC pada mikrokontroller.

• Penggunaan VCO dan Labview telah mampu mengamati pergeseran frekuensi dan

amplitudo dari vibrasi mikrokantilever secara otomatis serta menghasilkan data yang dapat

diolah.


26

• Sistem yang dikembangkan telah diujicobakan untuk deteksi gas, hasilnya dapat terlihat

secara jelas pergeseran frekuensi dari mikrokantilever ke arah frekuensi lebih tinggi. Hasil

ini sesuai dengan hasil ketika digunakan metode manual menggunakan function generator

sebagai vibrator mikrokantilever

7. DAFTAR REFERENSI

[1] R. Berger, H.P. Lang, C. Gerber, J.K. Gimzewski, J.H. Fabian, L. Scandella, E. Meyer, H.

J. Güntherodt: Micromechanical thermogravimetry, Chem. Phys. Lett. 294, (1998) p.363–

369.

[2] J. Fritz, M.K. Baller, H.P. Lang, T. Strunz, E. Meyer, H.-J. Güntherodt, E. Delamarche, C.

Gerber, J.K. Gimzewski: Stress at the solid-liquid interface of self-assembled monolayers on

gold investigated with a nanomechanical sensor, Langmuir 16, (2000) p.9694–9696.

[3] A. Kooser, K. Manygoats, M.P. Eastman, T.L. Porter:Investigation of the antigen antibody

reaction between anti-bovine serum albumin (a-BSA) and bovine serum albumin (BSA)

using piezoresistive microcantilever based sensors, Biosens. Bioelectron. 19, (2003) p.503–

508.

[4] R. Raiteri, M. Grattarola, H. Butt, P. Skladal, Micromechanical cantileverbased biosensor,

Sens. Act. B., 79 (2001) 115-126.

[5] S.K. Vashist, A review of Microcantilevers for Sensing Applications, J. of Nanotechnol., 3

(2007) 1-15.

[6] S. Dohn, R. Sandberg, W. Svendsen, A. Boisen, Enhanced functionality of cantilever

based mass sensors using higher modes, Appl. Phys. Lett., 86 (2005) 233501.

[7] R. Nuryadi, A. Djajadi, R. Adiel, L. Aprilia, N. Aisah, Resonance frequency change in

microcantilever-based sensor due to humidity variation, Mater.Sci. Forum, 737 (2013) 176-

187.

[8] T. Itoh, T. Suga: Force sensing microcantilever using sputtered zinc-oxide thin-film, Appl.

Phys. Lett. 64, (1994) 37–39.

[9] J. Brugger, R.A. Buser, N.F. de Rooij: Micromachined atomic force microprobe with

integrated capacitive read-out, J. Micromech. Microeng. 2, (1992) 218–220.

[10] Z. Hu, T. Thundat, R. J. Warmack, Investigation of adsorption and adsorption-induced

stresses using microcantilever sensors. J. Appl. Phys.,90 (2001) 427-431.


27

[11] D.R. Balselt, B. Fruhberger, E. Klassen, S. Cemalovic, C.L. Britton Jr, S.V. Patel, T. E.

Mlsna TE, D. McCorkle, B. Warmack B, Design and performance of a microcantilever-

based hydrogen sensor. Sens. Act. B., 88 (2003) 120-131.

[12] A. Fabre, E. Finot, J. Demoment, S. Contreras, Monitoring the chemical changes in Pd

induced by hydrogen absorption using microcantilevers. Ultramicroscopy, 97 (2002) 425-

432.

[13] J. Zhou, P. Li, S. Zhang, Y. Huang, P. Yang, M. Bao, G. Ruan, Self excited piezoelectric

microcantilever for gas detection. Microelectr. Eng., 69 (2003) 37-46.

[14] J. Mertens, E. Finot, M.H. Nadal, V. Eyraud, O. Heintz, E. Bourillot, Detection of gas

trace of hydrofluoric acid using microcantilever. Sens. Act. B., 99 (2003) 58-65.

[15] A. Kooser, R.L. Gunter, W.D. Delinger, Porter TL, Eastman MP, Gas sensing using

embedded piezoresistive microcantilever sensors. Sens. Act. B., 99 (2004) 474-479.

[16] T.L. Porter, et. al., A solid-state sensor platform for the detection of hydrogen cyanide

gas. Sens. Act. B., 123 (2007) 313-317.

[17] Joseph T. Kung, Hae-Seung Lee, Roger T. Howe, Member, A Digital Readout Technique

for Capacitive Sensor Applications,IEEE Journal Of Solid-State Circuits, Vol. 23, No, 4,

August 1988

[18] https://learn.sparkfun.com/tutorials/arduino-shields. Accessed on Sept 26th 2014

[19] http://arduino.cc/en/Main/ArduinoShields. Accessed on Sept 26th 2014

[20] T.M.S. Heng: Trimming of microstrip circuits utilizing microcantilever air gaps, IEEE

Trans. Microw. Theory Technol. 19, (1971) 652–654 .

[21] K.E. Petersen: Micromechanical membrane switches on silicon, IBM J. Res. Dev. 23,

(1979) 376–385.

[22] E.S. Kolesar: Electronic nerve agent detector, US Patent 4549427 (1983).

[23] T. Itoh, T. Suga: Force sensing microcantilever using sputtered zinc-oxide thin-film,

Appl. Phys. Lett. 64, (1994) 37–39.

[24] J.P. Cleveland, S. Manne, D. Bocek, P.K. Hansma: A nondestructive method for

determining the spring constant of cantilevers for scanning force microscopy, Rev. Sci.

Instrum. 64, (1993) 403–405.

[25] T. Thundat, R.J. Warmack, G.Y. Chen, D.P. Allison: Thermal, ambient-induced

deflections of scanning force microscope cantilevers, Appl. Phys. Lett. 64, (1994) 2894–

2896.


28

[26] J.K. Gimzewski, C. Gerber, E. Meyer, R.R. Schlittler: Observation of a chemical reaction

using a micromechanical sensor, Chem. Phys. Lett. 217, (1994) 589–594.

[27] T. Thundat, G.Y. Chen, R.J. Warmack, D.P. Allison, E.A. Wachter: Vapor detection

using resonating microcantilevers, Anal. Chem. 67, (1995) 519–521.

[28] Hans Lang, Martin Hegner, Christoph Gerber. Springer Handbook of Nanotechnology.

(2007) p.428.

[29] C. Liu, 2011. Foundation of MEMS, Second edition. Pearson education limited: London,

p270.

[30] S. M. Sze dan Kwok K., 2006. Physics of semiconductor devices, third edition. Wiley-

Interscience: London, p.332.

[31] T.R. Hsu, 2002. MEMS and microsystems: design and manufacture. McGraw-Hill

companies, Boston, p.243.

[32] R. Nuryadi, Relationship between Wheatstone Bridge Circuit and Femtogram Particles

Attached on Piezoresistive Microcantilever in Biosensor Application, Journal of

Fundamental Sciences, 7 (2011) 97-100.

[33] S. Ekelof, The Genesis of the Wheatstone Bridge, Engineering Science and Education

Journal, 10-1 (2001) 37 – 40.

[34] Ulrich Rohde, Ajay Poddar, and Georg Bock, The Design of Modern Microwave

Oscillators for Wireless Applications: Theory and Optimization, (543-pages) John Wiley &

Sons, 2005.

[35] Leeson, D. B. (February 1966), "A Simple Model of Feedback Oscillator Noise

Spectrum", Proceedings of the IEEE 54 (2): 329–330.

[36] National Semiconductor, LM 566 Datasheet. http://www.national.com. Accessed on May

1st 2015.

[37] M. Joshi, P. S. Gandhi, R. Lal, V. R. Rao, S. Mukherji. Modeling, Simulation, and

Design Guidelines for Affinity Cantilevers, J. of Microelectromechanic. Syst., 20-3 (2011)

774-784.

[38] W Evans. Brian. Arduino Programming Notebook. First Edition August 2007

[39] Hayek, Sabih I. (15 Apr 2003). "Mechanical Vibration and Damping". Encyclopedia of

Applied Physics (WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA).

[40] Kunal Verma, Configuring a frequency to voltage converter, ECE 480 - spring 2010,

Michigan State University, 2010.


rancang bangun sistem antarmuka digital sensor

Documents