A Little Piece

Teman-teman tentu mempunyai smartphone atau ponsel pintar, bukan? Pernahkah terpikirkan oleh teman-teman mengapa ketika kita memutar ponsel dengan sudut 90°, orientasi layar pada ponsel akan berubah dari potrait ke landscape ataupun sebaliknya? Kira-kira dari mana ponsel ini mengetahui kalau dia sedang kita putar? Jawabannya adalah karena di dalam ponsel kita tertanam sensor percepatan atau dikenal sebagai akselerometer yang bisa mendeteksi adanya percepatan.

Pada kasus ponsel yang diputar, akselerometer mendeteksi hilangnya percepatan gravitasi pada satu sumbu serta munculnya percepatan gravitasi di sumbu yang lain, sehingga sistem di layar ponsel bisa menyesuaikan orientasinya. Pada edisi ini kita akan bahas mengenai salah satu jenis akselerometer yang paling banyak digunakan di kehidupan kita, yaitu akselerometer berbasis micro electro-mechanical systems (MEMS). Pada majalah 1000guru edisi Agustus 2016, MEMS telah dibahas sebagai mesin yang sangat kecil dan biasanya berperan sebagai sensor untuk mendeteksi suatu besaran. Dalam artikel kali ini, dibahas mengenai kegunaan MEMS dalam mendeteksi dan mengukur besaran percepatan, atau biasa juga disebut akselerometer MEMS (MEMS accelerometer).

Prinsip kerja dari akselerometer MEMS sangatlah sederhana. Bayangkan sebuah sistem pegas bermassa seperti ditunjukkan pada gambar. Jika kita gerakkan sistem pegas bermassa, akan terjadi perubahan panjang pegas. Menurut hukum Hooke dan hukum Newton, perubahan panjang pegas pada sistem tersebut berbanding lurus dengan besar percepatan yang dikenakan pada sistem yang sama. Oleh karenanya, ketika kita mendeteksi perubahan panjang pegas, kita bisa mendapatkan besaran percepatan yang bekerja pada sistem tersebut. Pada MEMS, sistem pegas bermassa ini disebut juga resonator karena sistem ini dapat bergerak bolak-balik di sekitar suatu titik kesetimbangan.

Ketika kita kenakan gaya sebesar F pada massa yang kita punya, dengan k sebagai konstanta pegas, m sebagai besaran massa dan x adalah besarnya perpindahan massa yang dihasilkan, kita akan memiliki 3 persamaan matematis sesuai hukum Hooke dan hukum Newton sebagai berikut:


Pada proses pendeteksian percepatan, pergerakan massa dikonversi menjadi besaran listrik, sehingga diperlukan struktur tambahan selain massa dan pegas. Mekanisme yang paling umum digunakan adalah mekanisme kapasitor, yakni dengan memanfaatkan fenomena bahwa besar kapasitansi antara 2 pelat berbanding terbalik dengan jarak antara keduanya. Dengan mendeteksi perubahan besar kapasitansi antara dua pelat, perubahan panjang pegas bisa dideteksi dan dikonversikan menjadi besarnya percepatan yang dikenakan pada sistem yang kita miliki. Misalnya kita memiliki C sebagai besarnya kapasitansi kapasitor, ϵ0 adalah konstanta permitivitas, S adalah luas pelat atau elektrode yang digunakan, dan d adalah jarak antara kedua pelat tersebut, kita akan memiliki hubungan matematis sebagai berikut:

Konversi besaran mekanis menjadi besaran listrik.

Ketika tidak ada percepatan yang dikenakan pada akselerometer MEMS yang kita miliki, nilai d1 (jarak antara pelat biru dengan pelat bermassa seperti pada gambar) akan sama dengan nilai d2 (jarak antara pelat merah dengan pelat bermassa). Dengan demikian, nilai C1 (kapasitansi antara pelat biru dan dengan pelat bermassa) juga akan sama dengan nilai C2 (kapasitansi antara pelat merah dan dengan pelat bermassa). Sementara itu, ketika ada percepatan yang dikenakan pada akselerometer MEMS, nilai d1 dan d2 akan berbeda, sehingga besar C1 dan C2 juga akan berbeda.

Perpindahan massa diukur secara tidak langsung dengan mengukur perubahan kedua kapasitansi dan perbedaan di antara besar keduanya (selisih nilai antara C1 dan C2). Dengan mengukur perbedaan antara besar kedua kapasitansi, kita bisa mendapatkan bilangan yang lebih besar untuk perpindahan massa yang kecil sehingga sensornya lebih sensitif. Akselerometer MEMS sendiri didesain sedemikian rupa sehingga mampu mendeteksi percepatan dari semua arah. Hal inilah yang membuat strukturnya menjadi semakin rumit.

Akselerometer MEMS yang digunakan pada iPhone 4. Sumber: http://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html

Selain digunakan pada ponsel pintar, saat ini akselerometer MEMS juga digunakan pada beberapa perangkat seperti remote control pada Nintendo-Wii, perangkat pengukur aktivitas seismik getaran permukaan bumi, perangkat pengukur aktivitas biologis dalam tubuh manusia, dan juga perangkat pemantauan aktivitas mesin pada proses produksi industri.

Pada tahun 2015, sebuah tim mahasiswa yang berasal dari Tohoku University menjadi juara pada International Contest of Application in Nano-micro Technology (iCAN) dengan membuat anywhere sado. Kontes ini merupakan kontes tahunan berskala internasional yang bertujuan untuk merangkai MEMS menjadi sebuah sistem tertentu yang bisa diikuti oleh siswa SMA maupun perguruan tinggi.

Penggunaan akselerometer MEMS dari tahun ke tahun. Sumber: http://memscyclopedia.org

Sado merupakan kosakata bahasa Jepang yang artinya adalah upacara minum teh tradisional ala Jepang. Pada upacara minum teh di Jepang, ada teknik tertentu dalam mengaduk teh agar dapat menghasilkan cita rasa spesial. Biasanya pembuat (pengaduk) teh profesional perlu berlatih selama berbulan-bulan di bawah bimbingan seorang pelatih sebelum agar bisa menyajikan teh dengan cita rasa spesial tersebut.

Ketua dari tim mahasiswa yang berasal dari Tohoku University ini merupakan salah satu orang yang telah terlatih dalam menyajikan teh pada upacara minum teh selama bertahun-tahun. Ia merumuskan beberapa parameter yang penting dalam proses pengadukan teh, mulai dari frekuensi pengadukan, arah adukan, hingga temperatur air. Berbagai parameter ini bisa diukur dengan memasangkan akselerometer MEMS dan beberapa jenis MEMS lainnya pada alat pengaduk teh. Kemudian, data yang direkam dari MEMS tersebut dapat digunakan oleh siapapun untuk belajar mengaduk teh dengan baik dan benar. Teman-teman mungkin sekarang jadi tertarik untuk membuat alat tertentu dengan MEMS?

Bahan bacaan:

• Chollet, Franck, Liu, Haobing. A (not so) short introduction to MEMS. http://memscyclopedia.org/
• Esashi, Masayoshi. はじめてのMEMS (Introduction to MEMS). 工業調査会, 2009.
• http://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html

Telah diterbitkan di Rubrik Teknologi Majalah 1000guru edisi Oktober 2017.

Tahukah kalian apa itu MEMS? Benda ini banyak tertanam di berbagai perangkat yang biasa kita gunakan loh. Yuk, kita gali lebih jauh tentang MEMS ini!

MEMS adalah singkatan dari Micro Electro Mechanical Systems. Istilah ini secara resmi pertama kali dikenalkan oleh Prof. Stephen C. Jacobsen (1940-2016) di the University of Utah dalam sebuah proposal yang ditulisnya untuk DARPA (lembaga riset di Departemen Pertahanan Amerika Serikat) pada tahun 1986 dan dijelaskan oleh Prof. Roger T. Howe di Stanford University pada 1989 untuk mendeskripsikan komponen mekanik, seperti pegas atau membran yang bergerak, yang dibuat pada skala mikrometer. Selain itu, MEMS juga dibuat bukan dengan teknologi yang umum di dunia permesinan seperti mesin bubut atau mesin penggiling, melainkan dengan teknologi semikonduktor yang biasanya digunakan untuk membuat komponen mikroelektronik, disebut juga teknologi mikro-fabrikasi. Di Jepang, MEMS sering juga disebut micromachines, dan di Eropa disebut juga Microsystems Technology (MST).

Lalu, apa sebenarnya MEMS itu? Tahukah kalian, apakah yang menghubungkan inkjet printer, proyektor, Nintendo Wii, chip sekali pakai untuk analisa kesehatan dan sensor kecelakaan untuk mengeluarkan airbag di mobil-mobil? Alat-alat itu semuanya menggunakan MEMS loh! Lalu, apa sebenarnya MEMS itu?

Ada sebuah definisi sederhana, yaitu, “Mikro-fabrikasi menghasilkan MEMS”. Dari definisi ini, MEMS dan komponen mikroelektronik yang biasa menjadi bias karena sebenarnya proses fabrikasi mereka hampir sama, yaitu menggunakan teknologi mikro-fabrikasi ini. Akan tetapi, ada satu karakteristik yang membedakan MEMS dengan komponen mikroelektronik biasa. Komponen mikroelektronik biasanya hanya terbuat dari sirkuit-sirkuit yang disusun secara linear, kemudian dipadatkan dan dibuat bertingkat-tingkat menjadi struktur 3 dimensi. Sedangkan struktur MEMS biasanya pada dasarnya memang tersusun dari lubang-lubang, rongga, membran dan balok-balok yang lebih mirip dengan komponen mesin/mekanis yang biasa kita temui.

Apa perbedaan cara pembuatan MEMS dengan sistem mekanis biasa? Sistem mekanis biasanya dibuat dengan pendekatan bottom-up, yaitu dimulai dari komponen-komponen yang lebih kecil, kemudian disusun sehingga menjadi suatu sistem yang lebih rumit. Sementara dalam pembuatan MEMS dengan teknologi mikro-fabrikasi, pendekatan yang dilakukan adalah pendekatan top-down. Artinya, MEMS dibuat pertama dalam skala besar, kemudian terakhir dipotong-potong menjadi banyak MEMS yang berukuran kecil, ukurannya yang sebenarnya. Untuk lebih ringkasnya, silakan lihat ilustrasi perbedaan proses fabrikasi MEMS dan mesin biasa berikut ini.

Pada dasarnya, MEMS dan komponen mikroelektronik lainnya sama-sama terbuat dari bahan dasar silikon. Oleh karena itu, proses pembuatan yang sama bisa digunakan untuk keduanya. Namun untuk pembuatan MEMS, teknologi mikro-fabrikasi perlu dikembangkan lebih lanjut agar mampu memproduksi struktur-struktur yang lebih dalam. Sehingga proses yang selama ini belum pernah dipakai untuk pembuatan komponen mikroelektronik juga perlu dikembangkan untuk membuat struktur 3 dimensi yang menyerupai mesin ini. Belakangan ini, MEMS dengan bahan dasar polimer, kaca, berlian dan logam juga mulai dikembangkan.

MEMS memang mempunyai kemiripan dengan komponen mikroelektronik biasa, dan inilah yang memungkinkan penggunaan MEMS dan mikroelektronik dalam waktu yang bersamaan. Namun perbedaannya juga ada, yang membuat para desainer dan peneliti MEMS harus menguasai ilmu elektronik, mesin, kimia dan material di saat yang bersamaan. Pada tingkatan sistem, MEMS biasanya dimanfaatkan sebagai sensor atau aktuator, sebagai jembatan yang menghubungkan antara dunia kita dengan dunia elektronik.

Untuk pengembangan MEMS, dibutuhkan dana dan usaha yang tidak sedikit. Mulai dari untuk mengembangkan teknologi pembuatannya dari teknologi mikroelektronik biasa, pengujian material, hingga di tingkat sistem untuk sinkronisasi dengan alat-alat elektronik yang sudah ada. Akan tetapi, ada banyak keuntungan yang kita dapat dengan menggunakan MEMS ini. Mari kita bahas beberapa diantaranya.

Keuntungan pertama adalah dengan teknologi MEMS, kita bisa memperkecil benda-benda yang kita punya sekarang, atau biasa disebut dengan miniaturisasi. Sebagai contoh adalah dalam pembuatan giroskop sebagai sensor posisi, yaitu untuk menentukan posisi suatu benda dalam kerangka lebih besar. Sebelum adanya teknologi MEMS, giroskop biasa dibuat dalam ukuran sekitar 1000 cm3. Dengan adanya teknologi MEMS dan mikro-fabrikasi, giroskop dengan ukuran total sekitar 0.5 cm3 bisa direalisasikan.

Sejauh ini, miniaturisasi adalah kunci mengapa teknologi MEMS terus berkembang hingga hari ini. Dengan memperkecil ukuran, kita bisa mengurangi penggunaan material untuk membuat sesuatu dengan fungsi yang sama. Selain itu, ukurannya yang kecil juga membuat MEMS ini bisa dibuat dalam jumlah yang banyak sekaligus. Pengurangan pemakaian material dan fabrikasi dalam jumlah banyak adalah kunci yang membuat biaya pembuatan MEMS menjadi lebih murah.

Memperkecil ukuran dan massa dari sebuah sensor, bisa juga memperluas kegunaan dari sensor tersebut. Sebagai hasilnya, MEMS yang lebih murah dan bisa digunakan untuk berbagai aplikasi menjadi sesuatu yang sangat bersaing di pasaran dibandingkan sensor-sensor terdahulu yang ukurannya besar dan harga satuannya lebih mahal. Mari kita ambil akselerometer, sensor percepatan, sebagai contoh. Pada awalnya, dan sampai sekarang, MEMS akselerometer digunakan sebagai sensor kecelakaan, yang bila percepatan di atas ambang batas terdeteksi, maka mobil akan mengeluarkan airbag demi keamanan pengendara. Dan sekarang,MEMS akselerometer sudah banyak digunakan di smartphone, dan bahkan di dalam konsol remote control Nintendo Wii.

Selain itu, manfaat lain yang didapat adalah pada skala mikrometer, ada banyak fenomena yang bisa terjadi, yang biasanya tidak terjadi pada skala makro. Misalnya pada biochip untuk mendeteksi kandungan suatu zat, biasanya medan listrik digunakan untuk memompa reaktan keluar dari chip tersebut. Efek ini dinamakan efek elektro-osmotik yang bekerja dengan adanya gaya pada channel berukuran mikro yang ada pada chip tersebut. Fenomena yang sama sulit direalisasikan pada pipa yang berukuran besar.

Miniaturisasi memang membawa berbagai keuntungan dan menjadi penggerak utama dalam perkembangan MEMS. Namun terkadang miniaturisasi saja tidak bisa serta-merta menghasilkan sesuatu yang baru. Jika sebuah sensor atau aktuator dirasa sudah cukup kecil, cukup bagus dan cukup murah, mungkin perkembangan MEMS bisa dicukupkan. Tapi keuntungan MEMS ternyata tidak hanya di level kecil itu saja, banyak juga keuntungannya ketika kita membawanya ke skala sistem yang lebih besar.

Sebagai keuntungan MEMS dalam tingkatan sistem adalah dengan teknologi MEMS ini, yaitu dengan membuat berbagai hal menjadi lebih kecil, berbagai sistem “pintar” bisa direalisasikan. Sebuah contoh nyata adalah pada sistem airbag, yang sekarang umumnya menggunakan MEMS akselerometer untuk mendeteksi adanya kecelakaan. Sebelumnya, sebuah sistem menggunakan logam berbentuk bola yang dikontrol dengan pegas atau medan magnet dimanfaatkan sebagai sensor kecelakaan pada kendaraan. Bola akan bergerak bila mobil mengalami percepatan yang sangat tinggi, dan logamnya akan menyebabkan arus pendek pada sirkuit yang ada di dalam sensor itu, dan atas dasar itulah mobil akan mengeluarkan airbag-nya. Sistem ini relatif sederhana, namun besar kemungkinan sistem ini tidak beroperasi dalam kondisi yang sebenarnya. Misalnya ketika bolanya yang ukurannya tidak kecil itu terblokir, atau kontak antar sirkuit di dalam sensornya terkontaminasi. Kesulitannya adalah ketika kita menyalakan mesin mobil, tidak ada yang bisa dilakukan untuk memeriksa apakah sensor ini beroperasi dengan baik atau tidak.

Dalam MEMS, meskipun tentu saja ada kemungkinan MEMS ini tidak beroperasi, mekanisme self-testing bisa dimasukkan ke dalam sistem dengan relatif mudah. Misalnya pada sensor kecelakaan untuk airbag, mekanisme untuk mengecek sendiri apakah MEMS akselerometer ini bekerja dengan benar atau tidak, bisa dicoba ketika mesin dinyalakan. Sistemnya bisa dibuat dengan MEMS lain, dengan membuat sebuah sistem simulasi percepatan tinggi yang hanya diperuntukkan untuk si MEMS akselerometer ini. Dengan itu, setiap kita menyalakan mesin, sistem akan memeriksa performa sensor kecelakaan yang ada, dan bahkan melaporkan pada kita bila sistemnya tidak berjalan dengan baik.

Keuntungan lain dari penggunaan MEMS adalah berkaitan dengan proses penggabungan atau integrasi pada tingkatan sistem. Pada kebanyakan sistem yang tidak menggunakan MEMS, umumnya sensor dan komponen elektronik utama akan dihubungkan dengan kabel-kabel atau sama-sama disolder di atas papan sirkuit (PCB, printed circuit board). Seperti yang sudah dijelaskan di awal, MEMS dibuat dengan proses yang sama dengan komponen mikroelektronik lainnya. Hal ini menjadikan MEMS lebih mudah untuk digabungkan dengan komponen elektronik lainnya secara langsung bahkan sejak proses pembuatannya masing-masing.

Menurut hukum Moore, jumlah transistor yang dapat dibuat dalam satu mikroprosesor akan menjadi dua kali lipat setiap 18 bulan (Baca: Rubrik Fisika Edisi Mei 2016). Maksud dari hukum ini adalah bahwa ukuran transistor terus mengecil menjadi separuh dalam setiap 18 bulan, yang tentu saja berlaku juga untuk berbagai komponen elektronik selain mikroprosesor. Namun apakah pengecilan ini tidak akan mencapai batasnya?

Belakangan ini banyak penelitian juga tengah difokuskan pada proses integrasi antara MEMS dengan semikonduktor komponen elektronik lainnya, karena dipercaya bahwa miniaturisasi komponen elektronik berdasarkan hukum Moore ini akan mencapai batasnya dalam waktu dekat. Hasilnya adalah berupa performa dan ketahan jangka panjang yang lebih baik, biaya pembuatan yang semakin murah dan munculnya berbagai manfaat baru yang belum pernah terpikirkan sebelumnya. Garis besar perkembangan kegunaan MEMS bisa dilihat pada ilustrasi berikut.

Begitulah mengenai MEMS. Teknologi MEMS ini tidak hanya membuat berbagai hal menjadi lebih kecil, tapi juga membuat bermacam alat-alat elektronik di keseharian kita menjadi lebih pintar.

Bahan Bacaan:

• Chollet, Franck dan Liu, Haobing. A (not so) short introduction to MEMS. http://memscyclopedia.org/
• Esashi, Masayoshi. はじめてのMEMS (Introduction to MEMS). 工業調査会, 2009.
• https://en.wikipedia.org/wiki/Microelectromechanical_systems

Telah diterbitkan di Rubrik Teknologi Majalah 1000guru edisi Agustus 2016.