Desain Coplanar Elektroda
pada Piezoresistive Sensor
Berbasis Carbon Nanotube
Nama
NPM
MK
Dosen
: Imas Tri Setyadewi
: 2006547086
: Sensor dan Aktuator
: - Prof. Dr. Djoko Hartanto
- Dr. Tomy Abuzairi, Ph.D
Table of Contents
01
02
Pendahuluan
Metode
Perkembangan dan
Teknologi Piezoresistive
Sensor
Teknologi dan Rangkaian
Piezoresistive Sensor
03
04
Hasil dan Diskusi
Kesimpulan
01
Pendahuluan
Sejarah dan Perkembangan
Piezoresistive Sensor, tantangan
Perkembangan Piezoresistiv
Piezo dari bahasa Yunani
“piezein” yang berarti “to
press, to compress” dan
resistive dalam bahasa latin
“resistere” yang berati “to
stop”
 Piezoresistive berati efek
perubahan resistansi dari suatu
konduktor listrik karena
adanya perubahan geometri
oleh stimulus dari luar.
Gambar 1. Perkembangan Piezoresistive Sensor
Piezoresistiv efek
 Piezoresistive efek pada metal konduktor lebih disebabkan karena elongation atau perubahan
geometri
 Piezoresistive efek pada semikonduktor karena adanya tekanan yang menyebabkan perubahan lebar
band gap, dan pergerakan pembawa muatan (elekron dan hole).
 Piezoresistive efek pada polimer komposit berkaitan dengan mekanisme konduksi dimana konduktif
filler terdispersi dalam suatu matrix insulator
Gambar 2. Conductive Filler pada Matrix Insulator
Teknologi Piezoresistive sensor
Metal Strain Gage


Prinsip kerja piezoresistive sensor adalah
adanya perubahan resistivitas material
terhadap tekanan dari luar
Menggunakan metal strip yang dibuat
berkelok-kelok diatas substrat plastik,
polymide atau insulating polimer
Non- Metal Strain Gage
 Semikonduktor Si, Polysilicon, SOI dan SiC banyak
digunakan sebagai piezoresistor karena faktor gauge yang
lebih baik dibanding metal
 Menggunakan polimeric material seperti PDMS, PP,
Polycarbonate, PMMA, PE, PVA atau lainnya dan filler CNT
atau graphene
Piezoresistive sensor berbasis CNT




CNT banyak digunakan sebagai micro pressure sensor/ MEMS dan dapat digunakan pada tekanan yang tinggi
CNT bersifat elastis untuk dapat kembali ke bentuk awalnya setelah tekanan dihilangkan
Graphene dan CNT dipilih karena kekuatan mekanik, elektrikal dan thermal propertis yang lebih baik
Piezoresistive sensor biasanya ditempatkan pada suatu lapisan membran diatas fleksibel substrat
Gambar 3. Struktur Piezoresistive Sensor
Rangkaian Piezoresistive

a
Piezoresistive sensor dapat dihubungkan secara elektrikal menggunakan konfigurasi Jembatan Wheatstone
c
b
Gambar 4. Rangkaian jembatan wheatston dengan satu sensor (a) Model mikro sensor piezoresistive berbasis CNT (MWCNT) (b)
Piezoresistiv Efek Terhadap Temperatur
 Piezoresistive berbasis komposit dapat digunakan sebagai pressure sensor
yang fleksibel.
 Tetapi kekurangannya, perubahan elektrikal resistan komposit tidak hanya
disebabkan tekanan, tetapi juga temperatur
 Akibatnya, ada output drift yang dihasilkan dari pengaruh temperatur
 Dibuat diferensial struktur untuk pengukuran tekanan untuk mengurangi
output drift karena temperatur.
02
Metode
Desain, Fabrikasi dan
Rangkaian Piezoresistive
Sensor
Desain Piezoresistive sensor
Teridiri dari 8 elektroda coplanar, dengan 4
film silikon rubber komposit dengan
kandungan CNT tinggi dan CNT rendah
 A dan C merupakan film komposit dengan kandungan 12%
 B dan D memiliki kandungan 4 vol %
 Dimensi TH, SH, TL dan SL adalah 0.08 cm, 4.96 m, 5.21
cm, dan 0.08 cm
 Diameter dan panjang CNT yang digunakan sebesar 80
nm, dan 10 mikro meter
Gambar 5. Desain Sistem Differensial Struktur Piezoresistor Sensor Berbasis CNT
Fabrikasi Sensor
1)
2)
Fabrikasi
komposit
dengan
metode
classical solution mixing
Fabrikasi film komposit menggunakan
apparatus displacement dengan bagian
3)
movable dan fixed
Fabrikasi top encapsulation layer dari
karet silikon
Gambar 6. Fabrikasi Sensor
Rangkaian Pengujian (1)
 Menggunakan material testing machine dan
temperatur chamber (WDW-1kN)
Variasi temperatur 21’C – 29’C
 Tekanan diberikan mulai 0 – 80 kPa
 Resistansi diukur dengan menggunakan multimeter
(Agilent 34410A)
Gambar 7. Eksperimen Setup
Rangkaian Pengujian (2)
 E adalah sumber sebesar 3 V dan U adalah tegangan keluaran
Resistansi pada 0 pressure untuk film komposit A/B/C/D adalah
12,511 MΩ/16.625 MΩ /12.527 MΩ / 12.662 MΩ
Variabel resistor bridge ra, rb, rc dan rd sebesar 151 kΩ , 37 kΩ,
135 kΩ dan 0 kΩ
03
Hasil dan Diskusi
Perbandingan Hasil Tegangan Keluaran
a.
b.
12 vol%, T drift 28.1 %, sensitivitas 313.8 mV/Mpa
4 vol.%, T drift 13.9 % d, sensitivitas 448.7 mV/MPa
c. T drift 3.9 %, sensitivitas 1521.3 mV/MPa
Gambar 8. Tegangan output pada tradisional sistem (a,b) dan Tegangan output pada rangakaian differensial sistem (c)
04
Kesimpulan
Teknologi dan Rangkaian Piezoresistive Sensor
1. Telah didesain sensor piexoresistive dengan carbon nanotube berbasis
diferensial struktur elektroda coplanar
2. Semua elektroda untuk keempat film komposit ditempatkan pada lokasi
yang sama di encapsulation layer, sehingga menyederhanakan struktur dari
probe sensor
3. Hasil pengujian menunjukan kenaikan sensitivitas coplanar elektroda
mencapai 1521.3 mV/Mpa dan penurunan temperatur drift menjadi 3.9 %
dibandingkan desain sebelumnya
Referensi
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
L. Wang, F. Wu, and Y. Wang, "Coplanar-Electrodes-Based Differential Structure for Piezoresistive Sensor Made of Carbon Nanotube
Filled Silicone Rubber Composite," IEEE Sensors Journal, vol. 18, no. 4, pp. 1403-1409, 2018, doi: 10.1109/JSEN.2017.2785350.
A. S. Fiorillo, C. D. Critello, and S. A. Pullano, "Theory, technology and applications of piezoresistive sensors: A review," Sensors and Actuators A:
Physical, vol. 281, pp. 156-175, 2018/10/01/ 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.07.006.
K. Ke, L. Yue, H. Shao, M.-B. Yang, W. Yang, and I. Manas-Zloczower, "Boosting electrical and piezoresistive properties of polymer
nanocomposites via hybrid carbon fillers: A review," Carbon, vol. 173, pp. 1020-1040, 2021/03/01/ 2021,
doi:://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.11.070
A. C. Katageri and B. G. Sheeparamatti, "Sensitivity Enhancement of Piezoresistive Pressure Sensor using Carbon Nanotube as a Piezoresistor,"
in 2019 Second International Conference on Advanced Computational and Communication Paradigms (ICACCP), 25-28 Feb. 2019 2019, pp. 1-6,
doi: 10.1109/ICACCP.2019.8882921.
K. B. Balavalad and B. G. Sheeparamatti, "Design, Simulation & Analysis of Si, SOI & Carbon Nanotube (CNT) based Micro Piezoresistive
Pressure Sensor for a High Tmeperature & Pressure," in 2018 International Conference on Circuits and Systems in Digital Enterprise Technology
(ICCSDET), 21-22 Dec. 2018 2018, pp.
J. He et al., "Recent advances of wearable and flexible piezoresistivity pressure sensor devices and its future prospects," Journal of Materiomics,
vol. 6, no. 1, pp. 86-101, 2020/03/01/ 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmat.2020.01.009.
https://en.ppt-online.org/416691
L. Wang, D. Lv, and F. Wang, "Electrode-Shared Differential Configuration for Pressure Sensor Made of Carbon Nanotube-Filled Silicone Rubber
Composites," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 67, no. 6, pp. 1417-1424, 2018, doi: 10.1109/TIM.2018.2795880.\
R. Rajarajan et al., "Flexible piezoresistive sensor matrix based on a carbon nanotube PDMS composite for dynamic pressure distribution
measurement," (in English), Journal of Sensors and Sensor Systems, vol. 8, no. 1, pp. 1-7, 2019 2020-07-28 2019, doi:
R. Daňová, R. Olejnik, P. Slobodian, and J. Matyas, "The Piezoresistive Highly Elastic Sensor Based on Carbon Nanotubes for the Detection of
Breath," (in English), Polymers, vol. 12, no. 3, p. 713, 2020 2020-03-28 2020, doi:http://dx.doi.org/10.3390/polym12030713.
K. Qi et al., "Weavable and stretchable piezoresistive carbon nanotubes-embedded nanofiber sensing yarns for highly sensitive and multimodal
wearable textile sensor," Carbon, vol. 170, pp. 464-476, 2020/12/01/ 2020, doi: htt
Z. Tang, S. Jia, S. Shi, F. Wang, and B. Li, "Coaxial carbon nanotube/polymer fibers as wearable piezoresistive sensors," Sensors and Actuators
A: Physical, vol. 284, pp. 85-95, 2018/12/01/ 2018, doi:
L. Wang, S. Gupta, K. J. Loh, and H. S. Koo, "Distributed Pressure Sensing Using Carbon Nanotube Fabrics," IEEE Sensors Journal, vol. 16, no.
12, pp. 4663-4664, 2016, doi: 10.1109/JSEN.2016.2553045.http
S. Gong et al., "Temperature-independent piezoresistive sensors based on carbon nanotube/polymer nanocomposite," Carbon, vol. 137, pp. 188195, 2018/10/01/ 2018, doi:
V. Mitrakos et al., "Nanocomposite-Based Microstructured Piezoresistive Pressure Sensors for Low-Pressure Measurement Range," (in English),
Micromachines, vol. 9, no. 2, p. 43, 2018