Rekayasa Bahan: Sensor Gas CO (TGS 203) Berbahan Semikonduktor SnO2

1. Pendahuluan

Sensor gas mikroelektronika pertama yang sukses dibuat adalah berbasis bahan metal oksida diantaranya ZnO_2­, Fe₂O₃, dan SnO₂. Akhir-akhir ini bahan SnO₂ paling banyak digunakan dan dikembangkan untuk gas CO, karena kelebihan dibanding bahan lain. Adapun kelebihan dari sensor gas berbasis SnO₂ antara lain massa pemakaian yang lama dan relatif stabil, daya tahan tinggi, dan kecilnya persen kesalahan.

Sensor gas terdiri dari elemen sensor, dasar sensor dan tudung sensor. Elemen sensor terdiri dari bahan sensor dan bahan pemanas untuk memanaskan elemen. Elemen sensor menggunakan bahan-bahan seperti timah (IV) oksida SnO2, wolfram (VI) oksida WO3, dan lain-lain, tergantung pada gas yang hendak dideteksi. Gambar berikut menunjukkan susunan (struktur) dasar sensor gas.

 Gambar Susunan Dasar Sensor Gas

Elemen pendeteksi gas adalah suatu bahan semikonduktor tipe-N berupa oksida logam, yaitu SnO₂ (oksida timah putih). Bahan ini akan menghantar lebih baik jika bersentuhan dengan gas-gas yang teroksidasi di udara. Hal ini terjadi oleh adanya adsorpsi dan reaksi yang memodifikasi densitas pembawa muatan, dalam hal ini elektron. Dengan adanya perubahan pada pembawa muatan maka sifat hantaran pada permukaan semikonduktor juga berubah. Sebagian besar oksida metal, termasuk SnO_2, mempunyai celah pita (“band gaps”) murni yang terlalu lebar untuk dilompati oleh elektron dari pita valensi ke pita konduksi dengan energi termal ambien.

Bila suatu kristal oksida logam seperti SnO2 dipanaskan pada suhu tinggi tertentu di udara, oksigen akan teradsorpsi pada permukaan kristal dengan muatan negatif . Elektron-elektron donor pada permukaan kristal ditransfer ke oksigen teradsorpsi, sehingga menghasilkan suatu lapisan ruang bermuatan positif. Akibatnya potensial permukaan terbentuk, yang akan menghambat aliran elektron. Di dalam sensor, arus listrik mengalir melalui bagian-bagian penghubung (batas butir) kristal-kristal mikro SnO2. Pada batas-batas antar butir, oksigen yang teradsorpsi membentuk penghalang potensial yang menghambat muatan bebas bergerak. Tahanan listrik sensor disebabkan oleh penghalang potensial ini. Gambar berikut menunjukkan model penghalang potensial antar butir kristal mikro SnO2 pada keadaan tanpa adanya gas yang dideteksi.

                     Gambar Model penghalang antar butir pada keadaan tanpa gas yang dideteksi.

Dalam lingkungan adanya gas pereduksi, kerapatan oksigen teradsorpsi bermuatan negatif pada permukaan semikonduktor sensor menjadi berkurang, sehingga ketinggian penghalang pada batas antar butir berkurang. Ketinggian penghalang yang berkurang menyebabkan berkurangnya tahanan sensor butir dalam lingkungan gas. 

 

Gambar Model penghalang potensial antar - butir dalam linkungan gas.

2. Sifat SnO₂ Sebagai Sensor Gas

Selain pada tabel diatas sifat dari SnO₂ sebagai sensor gas adalah sebagai berikut:

• SnO₂ memiliki lebar celah energi besar, yaitu lebih besar dari 3,0 eV
• Sensitivitas terhadap gas yang dideteksi bergantung pada temperatur
• Rentang suhu operasi berkisar dari suhu 20°C-400°C
• Tegangan yang dibutuhkan untuk pemanasan permukaan sensor pada rentang tersebut antara 0-1,15 V
• Untuk deteksi CO, temperatur terbaik pemanasan untuk elemen sensor adalah dibawah 100°C

3. Struktur SnO₂

SnO₂ adalah semikonduktor oksida logam tipe-N. SnO₂ memiliki struktur kristal tetragonal dan bersifat nonpolar dengan parameter kisi a = 4,738 Å dan c = 3,1888 Å

 

Gambar Semikonduktor SnO₂

Berdasarkan teori permukaan dari bahan semikonduktor, dapat dijelaskan efek konduktansi sebagai berikut: dekat permukaan, skema energi dimodifikasi oleh state (keadaan) prmukaan elektronik yang menginduksi suatu lapisan muatan ruang (space chrge), dimana state ini dilokalisir pada permukaan. Trjadinya suatu lapisan muatan ruang pada permukaan dari SnO₂ ditunjukkan pada Gambar (a) dan (b) dibawah ini.

Gambar Lapisan Permukaan Ruang Pada Oksida Logam

(a) Lapisan deplesi akibat exposure terhadap oksigen (b) Lapisan akumulasi akibat exposure terhadap atom hidrogen

Pada permukaan sebenarnya state ini disebabkan terutama oleh efek cacat murni atau oleh adanya adsorpsi atom-atom dan molekul asing.

Pada gambar (a) ditunjukkan kasus lapisan deplesi yang diinduksi oleh oksigen teradsorbsi yang menghasilkan akseptor-akseptor permukaan dan mengikat electron-elektron diluar donor-donor bulk bawah permukaan. Sedangkan pada gambar (b) sebuah lapisan akumulasi dihasilkan sebagai akibat penyerapan hydrogen yang memberikan electron-elektron bebas pada permukaan (sebagai donor). Perubahan kerapatan muatan dalam lapisan ruang muatan akan mengakibatkan adanya perubahan hantaran dekat permukaan. Ec adalah batas konduksi, Ef adalah level Fermi dan S merupakan surface states akibat adanya adsorpsi akseptor dan donor. Pelengkungan pita terjadi disebabkan oleh lengkungan kurva potensial elektrostatis dari muatan ruang. Perubahan jumlah pembwa muatan pada lapisan muatan ruang menghasilkan perubahan konduktivitas pada daerah permukaan.

4. Proses pembuatan

Sensor gas ini tersusun atas sepasang elektroda yang dilapisi dengan sensitive layer, yaitu SnO₂, yang dicetak pada substrat alumina.

Gambar Sensor Gas

Tahapan pembuatan sensor gas ini meliputi proses pencetakan, pengeringan, dan pembakaran menggunakan teknologi film tebal.

Untuk menumbuhkan film SnO₂, terdapat beberapa metode yang dapat digunakan baik secara fisika maupun kimia. Secara fisika film SnO₂ dapat dibuat dengan metode evaporasi, electron beam evaporation, sputtering, dan spray pyrolisis. Sedangkan secara kimia berbagai metode deposisi dapat digunakan diantaranya metode sol-gel dan deposisi uap kimia (CVD).