PENGEMBANGAN SENSOR GAS BERBASIS TIMAH OKSIDA (Sn02

PENGEMBANGAN SENSOR GAS BERBASIS TIMAH OKSIDA (Sn02)

Udin Asrorudin

Akademi Kimia Analisis

ABSTRACT

The needs for portable, mini size, and cheaper but have long life time and high

sensitifity/selectivity has been driving force for the development of new sensing

devices based on tin oxide. Tin oxide is widely used as sensing layer because it has

wide range of gases that can be detected Alteration of conductance is main principle

detection gas with this sensor. By minimalizing particle size of sensing element,

control operational temperature of sensor, and doping metal or oxide metal, we can

get gas sensor with higher selectivity and sensitivity.

mendeteksi keberadaan gas tersebut

sehingga upaya untuk pengembangan

sensor gas sangat diperlukan.

Key Word: Tin Oxide, Semiconductor Gas Sensor, Sensitivity/Selectivity Sensor

PENDAHULUAN

Sensor gas adalah alat yang dapat

mendeteksi keberadaan gas. Alat ini

akan menghasilkan sinyal listrik yang

besamya sebanding dengan konsentrasi

gas. Sejak tahun 1980-an,

perkembangan teknologi sensor gas

semakin menarik minat para ahli. Hal

ini terkait dengan antisipasi terhadap

bahaya ledakan atau keracunan gas

yang dapat mengancam keselamatan

manusia. Indera penciuman manusia

memiliki keterbatasan untuk dapat

40

Beberapa teknologi sensor gas telah

dikembangkan saat ini antara lain

sensor elektrokimia, infra merah, foto

ionisasi, katalitik, dan solid-state.

(http://www.gotgas.com/pdfl

Intro_ChapO1.pdf). Sensor

_~lektrokimia dan sensor katalitik

memiliki keuntungan praktis (ukuran

kecil) dan harganya relatif murah akan

tetapi selektivitasnya kurang baik dan

WARTA AKAB, No 21, JULI 2009

umumya yang pendek. Akurasi sensor

inframerah dan ionisasi tinggi akan

tetapi ukuran instrumennya besar

sehingga kurang praktis, selain itu

harganya juga relatif mahal. Oleh sebab

itulah sensor solid state dikembangkan.

Kelebihan solid state yaitu ukuran

sangat kecil, relatif murah, selektivitas

tinggi, dan umur yang panjang. Salah

satu sensor solid state yang sedang

dikembangkan yaitu sensor berbasis

timah oksida (Sn02).

Garnbar 1. Sensor Solid-state

Sensor Solid-state

Sensor Solid-state (Garnbar 1)

menggunakan satu atau lebih oksida

logarn semikonduktor sebagai elemen

sensomya sehingga jenis sensor ini

dikenal juga sebagai sensor gas

semikonduktor (SGS). Oksida logarn

semikonduktor digunakan, baik dalarn

bentuk oksida logarn tunggal, seperti

timah oksida (Sn02), seng oksida

(Zn02), titanium oksida (Ti02), besi

oksida (Fe203), tungsten oksida (W03),

dan gallium oksida (Ga203) maupun


oksida logarn carnpuran, seperti

BiFe03, MgAh04, SrTi03, dan Srl_

yCayFe03_x(Setasuwon,- dan Hooker,

2002).

(A)

(B)

Garnbar 2. Skematik Umum Sensor

Solid-state (A) Tipe Bead

dan (B) Tipe Chip(http://www.gotgas.comlpdf/solidstate.pdt)

Berdasarkan bentuk elemen sensomya,

sensor solid-state dibedakan menjadi

dua tipe, yaitu tipe bead (oksida logam

dalam bentuk pasta) dan tipe chip

(oksida logarn dalam bentuk

lapisanlfilm tipis atau tebal yang

diendapkan vakum di atas chip silika).

Pada Garnbar 2 ditunjukkan bentuk

kedua tipe sensor tersebut.

41

Perkembangan terakhir menyatakan

bahwa sensor solid-state telah mampu

mendeteksi lebih dari 150 macam gas

berbahaya yang berbeda pada level

konsentrasi ppm (http://

www.gotgas.com). Bahkan sensor ini

mampu mendeteksi gas yang

sebelumnya hanya bisa dideteksi

menggunakan instrumentasi analitik

yang mahal.

Pada sensor solid-state ini, keberadaan

gas akan teradsorbsi pada pennukaan

elemen sensor (oksida logam) yang

selanjutnya mendisosiasi gas menjadi

ion atau kompleks bermuatan.

Akibatnya terjadi transfer elektron dan

perubahan konduktivitas material

sensor yang dibaca oleh elektrode

sebagai sinyal indikasi keberadaan gas

dalam sistem sensor.

Seiring dengan hilangnya gas maka

elemen sensor berubah ke kondisi

semula tanpa ada bagian material

sensor yang hilang atau habis selama

proses tersebut berlangsung. Hal inilah

yang menjadi keunggulan lain dari

sensor ini, yakni waktu hidup sensor

yang lebih lama. Pemanas (heater)

dalam sistem sensor ini tidak merusak

material namun hanya berfungsi untuk

42

mendapatkan

oksida logam

keberadaan gas.

temperatur optimal

dalam mendeteksi

PRINSIP KERJA TIMAH OKSIDA

SEBAGAI ELEMEN SENSOR GAS

Salah satu oksida logam yang sering

digunakan sebagai elemen sensor solid-

state adalah timah oksida (Sn02).

Sharp dkk (1998) menyatakan bahwa

timah oksida mumi merupakan

material semikonduktor tipe-n dengan

band-gap lebar (Eg 3,6 eV).

Keunggulan dari penggunaan timah

oksida sebagai elemen sensor adalah

ukurannya yang bisa dibuat sangat

kecil (nano film dan kawat nano),

murah, dan reaktifitas yang tinggi

dalam mereduksi gas sehingga sangat

sensitif dan selektif dalam mendeteksi

gas (Partridge, 2007). Selain itu, timah

oksida memiliki stabilitas kimia yang

tinggi sehingga stabil dari gangguan

senyawa kimia lainnya, kecuali oleh

senyawa alkali pekat yang panas.

Konduktivitas timah oksida

dipengaruhi oleh keberadaan molekul

oksigen. Ketika permukaan timah

oksida dikemisorbsi oksigen maka

terjadi transfer elektron dari pita (band)


konduksi yang mengubah molekul

oksigen menjadi 02-, o,, dan 0- (323

K, 373 K, dan 723 K) sehingga terjadi

perbedaan (barrier) potensial antar

permukaan dan timah oksida menjadi

sangat resistif. Menurut Mishra et.

al.(2002) pada suhu lebih tinggi hanya

ion 0- yang ada karena terjadi reaksi :

O2 (gas) •.••----.~ O2 (teradsorbsi)

O2 (teradsorbsi) + e •.••--+. O2-

Keberadaan gas-gas pereduksi, seperti

metana atau karbon monooksida (CO)

menurunkan perbedaan potensial antar

permukaan dan meningkatkan

konduktivitas permukaan timah oksida.

Sebaliknya keberadaan gas-gas

pengoksidasi akan menaikkan

perbedaan potensial antar permukaan

dan menurunkan konduktivitas

permukaan timah oksida.

(www.appliedsensor.comlpdfslMetal_

Oxide_Semiconductor _(MOS).pdt).

Besarnya perubahan konduktivitas

dipengaruhi oleh komposisi dan ukuran

bahan aditif, karakteristik morfologi

dan geometri lapisan sensor dan

substrat, dan temperatur operasional


alat. Reaksi antara gas target, oksigen,

dan timah oksida berlangsung pada

temperatur tinggi (rentang suhu 200

sampai 800°C) bergantung jenis gas,

material elemen sensor, dan pen-

doping. Oleh sebab itu perlu dilakukan

optimasi suhu optimum, baik untuk

elemen sensor maupun gas target.

SENSITIVIT AS DA.N

SELEKTIVITAS TIMAH OKSIDA

Sebagaimana telah dijelaskan

sebelumnya bahwa kemampuan timah

oksida dalam mendeteksi gas

disebabkan oleh terjadinya perubahan

konduktivitas akibat transfer elektron

(reaksi) yang terjadi di permukaan

timah oksida. Di samping itu, menurut

Delgado (2002) temyata perubahan

konduktivitas bukanlah satu-satunya

faktor yang mempengaruhi

kemampuan sensor dalam mendeteksi

gas. Perbedaan difusi antara gas

oksigen dan gas target juga

menentukan sangat penting

diperhatikan, terutama untuk sensor

--"·yang menggunakan elemen sensor

timah oksida dalam bentuk lapisan

tebal. Pori-pori yang terbentuk dari

lapisan elemen sensor ini akan

43

mempengaruhi sensitivitas

selektivitas deteksi gas.

dan

Namun masalah sensitivitas dan

selektivitas ini dapat diatur dengan

memvariasikan struktur kristal,

morfologi, temperatur operasional, dan

kontak material/geometri. Selain itu

dapat pula dilakukan dengan

memodifikasi sensor, seperti

penambahan filter kimia, pengaturan

suhu permukaan, pemasangan kolom

analitik khusus, atau penambahan

unsur pen-doping.

Bahan aditif atau doping yang biasa

digunakan pada umumnya adalah

golongan logam mulia atau transisi

antara lain tembaga, lanthanum,

palladium, platina, perak, dan stibium

baik dalam bentuk logam atau

oksidanya. Pada Tabel 1 disajikan

beberapa bahan aditif yang digunakan

dan gas target yang dideteksi.

Prinsip Kerja Bahan Aditif (Doping)

Bahan aditif yang ditambahkan

berfungsi sebagai agen katalis yang

membentuk klaster dalam bentuk

logam ataupun oksidanya di permukaan

elemen sensor timah oksida. Ada dua

mekanisme yang digunakan untuk

44

menjelaskan efek katalitik dari bahan

aditif(Gambar 3), yaitu :

1. Pendekatan kimia

Terjadi adsorpsi yang diikuti difusi

bahan aditif menuju permukaan

timah oksida. Secara umum

pengaruh klaster bahan aditif

adalah menghasilkan koefisien

pengikatan dengan gas yang lebih

tinggi daripada dengan timah

oksida dan mendisosiasi molekul

gas di permukaan timah oksida.

2. Pendekatan elektronik

Pada pendekatan ini, terjadi

interaksi elektronik antara partikel

bahan aditif dan timah oksida

melalui jarak muatan yang dibentuk

oIeh klaster dengan permukaan

timah oksida. Bahan aditif

bertindak sebagai reseptor

sedangkan timah oksida bertindak

sebagai transduser perubahan yang

terjadi pada permukaannya selama

adsorpsi gas. Bentuk oksidasi

partikel berubah ketika kontak

dengan gas terkait perubahan

kondisi elektronik timah oksida.-....


Tabel 1 . Bahan Aditif (Doping) dan Gas Target (Delgado,2002)

No. Bahan Aditif (Doping) Gas Target

i. Cesium oksida (Ce02) dan Metana

Osmium (Os)

2. Lanthanum oksida (La203) Karbon dioksida (CO2)

3. Palladium (Pd) Karbon monooksida (CO) dan Metana (CHt)

4. Platina (Pt), Emas (Au), dan Karbon monooksida (CO)

Bismuth oksida (BhO))

5. Thorium oksida (Th02) Karbon monooksida (CO) dan trimetil amin

6. Logarn grup III (Ga, AI, In) Nitrogen oksida (NOx)-7. Kadmium (Cd) Etanol dan Hidrogen (H2)

8. Rhodium (R,I,) Asetaldehid

9. Perak (Ag) . Hidrogen (th), Hidrogen Sulfida (H2S), danII propana

WART A AKAB, No 21, lUll 2009

H,,\H

b) H.

~

Gambar 3. Skema (a) Pendekatan Kimia dan (b) Pendekatan Elektronik Mekanisme

Kerja Bahan Aditif (Deigado,2002)

APLlKASI SENSOR BERBASIS

TlMAlI OKSIDA

Perkembangan teknologi sensor

berbasis timah oksida semakirr

meningkat, diantaranya dengan telah

didesainnya mikrosensor dan

nanosensor berbasis timah oksida.

Mikrosensor dan nanosensor (Gambar

4) menjawab kebutuhan akan sensor

yang berukuran kecil dan hemat energi

dengan tanpa mengurangi sensitifitas

dan selektifitas sensor sehingga sangat

praktis untuk digunakan di lapangan.

45

Selain itu, mikrosensor dan nanosensor

juga memiliki stabilitas yang baik,

waktu hidup yang lama, dan respon

recovery singkat. Sensor jenis ini

mampu dioperasikan pada rentang suhu

ambient dan kelembaban yang lebar

serta tidak membutuhkan perawatan

yang kompleks.

Gambar 4. Mikrosensor

dan Nanosensor

(www.appliedsensor.comJpdfslMetal_

Oxide_Semiconductor_(MOS).pdt)

Lingkup deteksi gas sensor berbasis

timah oksida ini antara lain alkohol

(metanol, etanol, dan alkohol lain),

amoniak (NH3), butana (C4HlO),karbon

monoksida (CO), klorin (Cb), etilena

(C2H2), heptana (C7H16), heksana

(C6H14), hidrogen (H2), hidrogen

sulfida (H2S), LPG, metana (C~),

nitrogen dioksida (N02), ozon (03),

propana (C3Hs), sulfur dioksida (S02),

toluena (C7Hs), dan lain-lain

(http://www.Metal_Oxide_Semiconduc

tor(MOS).pdt). Pada Gambar 5 dapat

46

dilihat respon sensor gas berbasis timah .

oksida pada beberapa jenis gas.

140'Cr" -------------

Gambar 5. Respon sensor gas timah

oksida pada beberapa gas

(Sun,et.al., 2001)

SIMPULAN

Berdasarkan pemaparan hasil

penelitian-penelitian di atas dapat

disimpulkan bahwa timah oksida dapat

dimanfaatkan sebagai elemen sensor

gas. Timah oksida mampu mendeteksi

keberadaan gas, baik gas pereduksi

maupun gas pengoksidasi. Hal ini

terkait adanya reaksi permukaan antara

timah oksida, oksigen yang

dikemisorbsi, dan gas target. Efektifitas

reaksi ini dipengaruhi oleh ukuran

partikel timah oksida dan temperatur

operasional. Dengan optimalisasi kedua

faktor tersebut akan didapatkan reaksi

yang efektif sehingga sensor lebih

WARTAAKAB, No 21, JULI 2009

sensitif dan selektif Penambahan

bahan aditif (doping) yang dapat

membentuk klaster dengan timah

oksida dapat berperan sebagai agen

katalitik untuk deteksi gas tertentu,

Seiring dengan perkembangan desain

mikrosensor dan nanosensor berbasis

timah oksida maka tantangan

kebutuhan akan sensor gas yang murah,

praktis, berdaya hidup lama, stabil,

sensitif, dan selektif terjawab.

DAFfAR PUSTAKA

Delgado, R. D. 2002. Tin Oxide GasSensors: An ElectrochemicalApproach. Universitat de Barcelona

Hooker, S. A. NanotechnologyAdvantages Applied to Gas SensorDevelopment. The Nanoparticles2002 Conference Proceedings.

http://www.appliedsensor.com/pdfs/Metal_Oxide _Semiconductor _(M OS).pdf

WARTA AKAB, No 21, ruu 2009

http://www.Metat.Oxide._Semiconduc-tor{MOS).pdf

Mishra, S, et. at. Alcohol Sensing of TinOxide Thin Film Prepared by So/-Gel Process. Bull. Mater. Sci. Vol25 (3). 2002. pp 231-234

Partridge,J. 2007. Characterisation ofTin Oxide Films and Nanowires.

Rella, R. et.al. Air Quality Monitoringby Means of Sol-Gel Integrated TinOxide Thin Films. Sensors andActuators B 58. 1999. pp. 283-288.

Setasuwon, P. Dopants in Tin OxideGas Sensor for EnhancingDetection Alcohol.http://www.mtcc.or.th/th/seminar/msativ/pdf/CP21.pdf

Sharp, S. L., et.al. Formation andStructure of a Tin-Iron Oxide Solid-State System with PotentialApplications in Carbon MonooxideSensing through the Use ofCyanogel Chemistry. Chem. Mater.10. 1998. pp 880-885

Sun, et. at. Study of Influencing Factorsof Dynamic Measurements Basedon Sn02 Gas Sensor. Sensors 4.2004. pp. 95-104

...•..

47

Documents

PENGEMBANGAN SENSOR GAS BERBASIS TIMAH OKSIDA (Sn02