Sensor QCM

Panca indera adalah anugrah Tuhan yang diberikan kepada manusia untuk dapat mengenal dan memempelajari lingkungan yang ada disekitar, salah satunya adalah indera penciuman. Indera penciuman dan pengecapan tergolong ke dalam sistem penginderaan kimia kita (chemosensation). Karena keunikan ini banyak ilmuwan yang mulai mempelajari indera penciuman yang akan diaplikasikan dalam pembuatan sensor elektronik yang fungsinya sama seperti penciuman, dimana sensor tersebut dapat membedakan aroma yang berbeda-beda. Sensor yang digunakan ada bermacam-macam salah satunya adalah quartz crystal microbalance (QCM). Aplikasi sensor ini banyak diperlukan untuk industry makanan maupun minuman, dimana nantinya tugas sensor ini akan menggantikan tugas manusia dalam mendeteksi aroma.

Penciuman adalah indera manusia yang tergolong dalam penginderaan kimia. Proses yang kompleks dari “mencium dan mengecap” dimulai ketika molekul-molekul dilepaskan oleh substansi di sekitar kita yang menstimulasi sel syaraf khusus di hidung, mulut, atau tenggorokan. Sel-sel ini menyalurkan pesan ke otak, dimana bau dan rasa khusus diidentifikasi. Sel-sel olfactory (syaraf penciuman) distimulasi oleh bau busuk disekitar kita. Contohnya aroma dari mawar, bau adonan roti. Sel-sel syaraf ini ditemukan disebuah tambalan kecil dari jaringan terletak di atas dalam hidung, dan mereka terhubung secara langsung ke otak. Penciuman (olfaction) terjadi karena adanya molekul-molekul yang menguap dan masuk ke saluran hidung dan mengenai olfactory membrane. Manusia memiliki kira-kira 10000 sel reseptor berbentuk rambut. Bila molekul udara masuk, maka sel-sel ini akan mengirimkan impuls saraf .
Berdasarkan hal tersebut diatas banyak dikembangkan sensor elektronik yang mempunyai fungsi seperti indera penciuman, salah satunya adalah quartz crystal microbalance (QCM) meskipun masih ada lagi sensor sejenis yang mempunyai fungsi sama. QCM adalah komponen kristal yang dilepas pembungkusnya dan dilapisi dengan polymer, keluaran dari sensor ini adalah frekwensi. Frekwensi awal akan mengalami perubahan pada saat uap yang ditimbulkan oleh aroma diterima oleh lapisan polymer ini. Ketelitian sensor ini akan lebih baik apabila digunakan secara array dengan lapisan sensitive membran yang berbeda-beda [1].
Saat ini teknologi yang dikembangkan untuk QCM sendiri adalah dengan menambahkan disipasi QCM-D yaitu teknik untuk mendeteksi perilaku ikatan polymer yang terhubung secara real time [2] 

 Sebuah kristal quartz resonator adalah sebuah sistem yang dapat bergetar secara mekanis, melalui efek piezoelektrik, ke dunia listrik. Quartz Kristal Ini terdiri elektroda, yang terletak di kedua sisinya dan terhubung dengan berisolasi mengarah pada paket kristal.

                                                                                Gambar QCM 

Meskipun analisis teoretis perangkat ini relatif kompleks fungsi elektro-mekanis, tapi dapat dinyatakan dalam Rangkaian ekuivalen sederhana seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

                                            Gambar Rangkaian Ekuivalen Quartz Crystal

C 0, disebut "shunt" atau statis kapasitansi, adalah kapasitansi di lempengan kristal ditambah dengan kapasitansi yang menyebar dipembatas kristal. Shunt kapasitansi ada meskipun lempengan kristal berosilasi atau tidak (berhubungan dengan efek piezoelektrik kuarsa). R, C1 dan L 1 rangkaian yang muncul dari getaran mekanis kristal. R mewakili resistansi; C1 mewakili kapasitansi dari quartz kristal; dan L 1 adalah induktansi, fungsi dari massa. C0 dan C1 adalah rasio ukuran perubahan yang ada dari listrik ke energi mekanik yang tersimpan dalam kristal, yaitu dari faktor kopel piezoelektrik , k. C0 / C1 meningkat dengan kuadrat dari angka nada. Ketika sebuah tegangan dc yang hubungkan pada elektroda dari resonator, rasio kapasitansi C0 / C1 yang dibentuk dari ukuran rasio energi listrik yang disimpan dalam kapasitor oleh elektroda dimana energi yang tersimpan dalam kristal elastis karena strain kisi yang dihasilkan oleh efek piezoelektrik.

Meskipun muncul Rangkaian ekuivalen yang relatif sederhana, menentukan beberapa karakteristik frekwensi resonator yang berguna dalam menggambarkan sifat-sifat rangkaian ekuivalen yang sangat rumit. Rumus berikut ini berguna dalam menentukan frekwensinya.

F_s(Frekuensi Resonansi Seri) =1/[2 p (L₁ C₁) ^1/2]

F_p(Frekuensi Resonansi Paralel)=f _s [1+1 / (2 g)]

g(Rasio Kapasitansi) = 2p f_s C₀/C₁

Q(Quality faktor) = 2 p f _s L₁ / R₁

M (Figure of merit) = Q / g  
Lempengan quartz, seperti piring, memiliki banyak cara getaran. Ada tiga mode dasar getaran sebagaimana digambarkan dalam gambar berikut.

                                                    Gambar mode getaran quartz crystal

(a) Flexure mode (membengkok atau melengkung); Cuts: 5 ° X, NT; Frekuensi ~ 100 kHz.

(b) Extensional Mode (perpindahan sepanjang lempengan); Cuts: MT, GT; Frekuensi: 40 - 200 kHz.

(c) Shear Mode (pergeseran dua bidang sejajar yang berlawanan arah). Mode ini dibagi menjadi:

Face Shear; Cuts: CT, DT; Frequency: 100 – 600 kHz.

Thickness Shear; Cuts: AT, BT, SC; Frekuensi: 1 - 30 MHz (mode dasar); 30-90 MHz (mode 3 nada harmonik); 60-150 MHz (mode 5 nada harmonik); dll

 Elektroda dalam quartz ini dapat merangsang getaran. Walaupun sejumlah besar potongan yang berbeda telah dikembangkan, beberapa digunakan hanya untuk frekwensi rendah, selain itu digunakan dalam aplikasi diluar kontrol frekuensi, dan sisanya yang lain akan dikembangan kemudian. Kecuali untuk frekwensi rendah, quartz resonators digunakan dalam jam tangan dan jam dinding, hampir semua quartz resonators dalam aplikasi saat ini menggunakan thickness-shear mode. Pada frekwensi bawah sekitar 1 MHz, thickness-mode resonators umumnya menjadi tidak praktis karena ukuran, karena diameter kosong harus jauh lebih besar dari ketebalan.

Selain itu quartz kristal ini dapat digunakan sebagai sensor dengan nama QCM. Quartz Crystal Microbalance (QCM) dapat mengukur massa per satuan luas dengan mengukur perubahan frekwensi dari quartz kristal resonator. Resonansi yang terganggu dengan penambahan atau penghapusan massa kecil karena pertumbuhan oksida atau film deposisi pada permukaan resonator akustik. QCM dapat digunakan pada kondisi kedap udara, gas fase ( "gas sensor”) dan baru-baru ini dikembangkan juga di lingkungan cair. Hal ini berguna untuk memantau tingkat deposisi di deposisi film tipis sistem di bawah kondisi kedap udara. Dalam cairan, sangat efektif dalam menentukan afinitas molekul (protein khususnya) ke permukaan yang mempunyai fungsi dari sisi yang diperkenankan. Entitas yang lebih besar seperti virus atau polimer diselidiki juga. QCM juga telah digunakan untuk menyelidiki interaksi antara biomolekul. mengukur kepadatan massa sampai di bawah 1 μg / cm menjadi mudah. Selain mengukur frekwensi, disipasi seringkali diukur juga untuk membantu analisis. Disipasi adalah parameter kuantitatif redaman dalam sistem, dan berkaitan dengan sampel viskoelastisitas properti. Berdasarkan persamaan sauerbrey pada saat gas terserap pada permukaan elektrode quartz adalah :

Dimana Δf ialah pergeseran frekwensi yang terukur, fo ialah frekwensi osilasi asli (frekwensi awal) dan Δm ialah perubahan massa, A ialah area aktif piezoelektrik dari elektroda eksitasi. ρ_q ialah densitas quartz, u_q modulus shear.

                   Gambar profil frekwensi dari QCM pada saat dilapisi dan proses sampling

Keterangan gambar diatas adalah, jika QCM tidak dilapisi (A) dengan frekwensi kristal adalah FA, jika dilapisi dengan polymer (B), frekwensi kristal QCM akan turun menjadi FB. Ketika lapisan polymer QCM tertutup oleh uap gas (C), uap gas tersebut akan diserap oleh lapisan polymer dan akan merubah massa dari crystal dan juga frekwensi kristal [3].

Hasil dan Analisa

Quartz adalah satu jenis unsur dari kristal ditemukan secara alami suatu efek piezoelektrik. Ketika sebuah perubahan tekanan mekanis dilewatkan melintang dipermukaan kristal menjadikan lempengan itu bergetar. Tegangan akan membentuk frekwensi getaran mekanis. Sebaliknya, manakala suatu tegangan bolak-balik dilewatkan melintang dipermukaan kristal, kristal bergetar pada frekwensi yang digunakan tegangan. Getaran yang terbesar terjadi di kristal frekwensi resonan biasa. yang mana ditentukan oleh dimensi fisik. Kristal digunakan dalam aplikasi elektronik secara spesifik terdiri dari suatu wafer quartz diantara dua electroda dan kemasan yang melindunginya " kaleng".

Sifat QCM adalah akan mengalami perubahan permukaan saat menerima molekul uap yang diterima setelah itu akan kembali normal pada saat uap tersebut hilang, dengan kata lain polymer akan berubah-ubah akibat massa uap yang diterima. Hal ini sejalan dengan persamaan sauerbrey yang menjelaskan bahwa salah satu unsur perubahan frekwensi adalah perubahan massa gas yang diterima (Δm).

Referensi

1. B.Kusumoputro, W. Jatmiko, Makara, Sains, vol. 6, no. 3, Desember 2002.
2. G. Zhang, Chi Wu, Macromoleculer Journal 30, 328–335, 20
3. Pavel Ripka, Alois Tipek, “Modern Sensors Handbook” , Printed and bound in great Britain, Newport Beach, CA 92663, 2007