rancang bangun sistem antarmuka digital sensor
TRANSCRIPT
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
β 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 β 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 β : 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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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]:
Β΅=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]:
π = 1
π π π!
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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
9
Gambar 5. Jembatan Wheatstone
Sirkuit jembatan Wheatstone dikonstruksi dengan piezoresistors R1 dan R2, dan resistor
eksternal R3 dan R4. Tegangan ΞV dapat didefinisikan sebagai ΞV = (R1R3 - R2R4) V/ (R1 + R2)
(R2 + R4), dimana Vis adalah tegangan yang diberikan. Formulasi ΞV dijelaskan di bawah ini.
Pada keadaan seimbang ΞV=0, makan Vad = Vab dan Vbc = Vdc. Dengan menggunakan Hukum
Kirchoff, maka:
Vad = Vab
Ix Rx = I1 R1
Maka didapat:
πΌ! = πΌ!π !π !
Pada saat nilai ΞV=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
πΌ!π ! = !!!!!!
π !
Sehingga
πΌ!π !π ! = πΌ!π !π !
Dengan membagi kedua sisi dengan R1 maka
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
10
π !π ! = π ! π !
Sehingga dengan kondisi tersebut nilai Rx dapat diketahui:
π ! = !!!!!!
Untuk menentukan nilai perubahan tegangan (ΞV) yang terjadi, maka dapat menggunakan persamaan berikut:
π₯π = !!!!! !!!!!!! !! (!!!!! )
π
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:
π₯π = !!
(!!! !! ) π β !!
!!! !! π
π₯π = !!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(!!!!!)(!!!!!) π
Jika nilai R1 = R3 = R + ΞR dan R2 = RX = R, maka nilai ΞV menjadi:
π₯π = !! !"! !"!
(!!! β!) !
Dengan ΞR adalah perubahan nilai piezoresistansi. Karena nilai R jauh lebih besar dari
ΞR, maka nilai ΞV menjadi [43]:
π₯π = !"!!
π
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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]:
π =12π
π!""π!""
Dari persamaan diatas, keff adalah konstanta pegas efektif sedangkan meff adalah masa
efektif mikrokantilever.
ππππ = β
2π!""
π!
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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 200Β΅A. Besarnya tegangan output dapat dihitung dengan
rumus [40].
π!"# = π!! . π!" .πΆ!.π !
Pada desain rangkaian ini, output maksimum telah diatur sebesar 4V. Oleh karena itu,
kita menggunakan kapasitor 94 pF untuk C1 dan resistor 24 KΞ© 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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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.
.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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 Β½ 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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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:
β’ 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.
β’ Perangkat lunak Processing mampu menampilkan grafik secara real-time namun sulit untuk
aplikasi DAC pada mikrokontroller.
β’ Penggunaan VCO dan Labview telah mampu mengamati pergeseran frekuensi dan
amplitudo dari vibrasi mikrokantilever secara otomatis serta menghasilkan data yang dapat
diolah.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
26
β’ 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. GΓΌntherodt: Micromechanical thermogravimetry, Chem. Phys. Lett. 294, (1998) p.363β
369.
[2] J. Fritz, M.K. Baller, H.P. Lang, T. Strunz, E. Meyer, H.-J. GΓΌntherodt, 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.9694β9696.
[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.503β
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) 37β39.
[9] J. Brugger, R.A. Buser, N.F. de Rooij: Micromachined atomic force microprobe with
integrated capacitive read-out, J. Micromech. Microeng. 2, (1992) 218β220.
[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.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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) 652β654 .
[21] K.E. Petersen: Micromechanical membrane switches on silicon, IBM J. Res. Dev. 23,
(1979) 376β385.
[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) 37β39.
[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) 403β405.
[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) 2894β
2896.
Rancang bangun ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015
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) 589β594.
[27] T. Thundat, G.Y. Chen, R.J. Warmack, D.P. Allison, E.A. Wachter: Vapor detection
using resonating microcantilevers, Anal. Chem. 67, (1995) 519β521.
[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 β 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): 329β330.
[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 ..., Yoga Purna Tama, FT UI, 2015