Kelembaban relatif adalah banyaknya uap air di udara sebagai persentase dari total yang dibutuhkan untuk saturasi penuh.1 Mengukur kelembapan relatif secara akurat dan dalam waktu nyata sangat penting untuk pemrosesan semikonduktor, manufaktur tekstil, pra-penyajian makanan, dan pengendalian kondisi pertanian. Namun, sensor kelembapan relatif tradisional menghadapi beberapa tantangan seperti kerentanan terhadap gangguan elektromagnetik dan operasi terbatas pada suhu tinggi. Media penginderaan serat optik menunjukkan janji sebagai solusi potensial untuk batasan ini karena kekebalan serat optik terhadap gangguan jaringan elektromag, dan keterjangkauan
Resonator mikro optik (OMR) adalah pilihan sensor serat optik yang menjanjikan. OMR memiliki berbagai aplikasi dalam perangkat plasmonik, laser dan sensor dengan membuat refleksi internal yang terus menerus. Ragam galeri Whispering (WGM) adalah jenis OMR dengan faktor Q tinggi dan kehilangan intrinsik rendah. Banyak desain potensial untuk OMR ada seperti disk-mikro, bola-mikro, botol-mikro, dan pilar-mikro. Botol-mikro resonators (MBR) adalah sub kelas WGM yang berbentuk formasi gelembung di tengah faktor yang utuh. MBR telah terbukti memiliki faktor Q dalam orde 106. MBR telah digunakan untuk membuat sensor kelembaban relatif dan menunjukkan sensitivitas 0,0487 dB/%RH dalam kisaran kelembaban relatif 40-80%RH. Resonator botol-mikro juga telah digunakan tanpa lapisan untuk mengukur suhu dan ditampilkan dalam kisaran suhu dari 40–100 C dengan sensitivitas 0,0149 dB/oC. Selanjutnya, MBR yang tidak dilapisi telah digunakan untuk mengukur konsentrasi formaldehida dan menunjukkan 4,397 dB /%RH pada konsentrasi kisaran 1% –5%.
Metode dan Hasil:
Resonator botol-mikro dengan diameter botol 190 μm dibuat menggunakan metode pelembut dan kompres secara manual fusi (Furukawa Electric Fitel S178A). Serat ditempatkan di dalam mesin dan beberapa busur diterapkan pada strukturnya sampai gelembung dengan ukuran yang diinginkan terbentuk. Struktur botol-mikro dicirikan oleh tiga dimensi; panjang botolnya, botol diameter dan diameter batang. Cahaya digabungkan melalui MBR menggunakan serat meruncing dengan ukuran 3 μm. Serat diruncingkan menggunakan teknik penyikatan api. Sumber laser tertala adalah pilihan utama untuk sumber cahaya karena memberikan berbagai panjang gelombang pada resolusi halus 0,001 nm. Di sisi lain, cahaya yang lewat diterima oleh pengukur daya optic (ThorLab PM100D). Media penginderaan diapit oleh ruang dengan kelembaban dan suhu relatif terkontrol.
Telah diperoleh hubungan antara daya luaran yang ditransmisikan dengan relatif bervariasi kelembaban dalam kisaran 35-85%. Pelapisan resonator botol-mikro dengan gel agarosa digunakan untuk meningkatkan sensitivitasnya dengan perubahan kelembaban relatif dari 35-85%RH pada suhu kamar konstan 25 oC. Sampel berlapis agarose gel menunjukkan respon linier dengan koefisien korelasi lebih tinggi dari 98%, respon terhadap kelembaban relatif dan MBR berlapis 0,5% memiliki sensitivitas 0,11 dB/%RH dibandingkan dengan sampel berlapis 1% dengan sensitivitas 0,09 dB/%RH. Agarosa adalah polimer hidrofilik dengan struktur berpori bersih dengan diameter pori rata-rata 100 nm. Peningkatan kelembaban relatif menyebabkan lebih banyak molekul air, yang memiliki indeks bias lebih tinggi, untuk menggantikan udara di pori-pori lapisan gel agarosa dengan gaya kapiler. Penyerapan molekul air ini menyebabkan peningkatan indeks bias rata-rata lapisan, penurunan kontras indeks antara botol-mikro dan sekitarnya, perubahan karakteristik perambatan cahaya sensor dan pergeseran panjang gelombang resonansi meningkatkan sensitivitas dan kinerja sensor yang yang telah dibuat. Dengan demikian, lapisan gel agarosa bertindak sebagai transduser yang meningkatkan variasi mode bocor dalam MBR yang dilapisi gel agarosa menyebabkan kelembaban relatif untuk mempengaruhi karakteristik perambatan cahaya dari struktur yang dilapisi, memodulasi cahaya yang lewat sensor dan menyebabkan lebih banyak kehilangan.
Hasil penelitian juga menunjukkan waktu respons dan pemulihan sampel yang dilapisi dengan gel agarosa 0,5% dan gel agarosa 1%. Resonator MBR berlapis agarosa 0,5% menunjukkan waktu respons rata-rata 2,9 detik dan pemulihan waktu 3.0 s. Sampel yang dilapisi agarosa 1% memiliki respons waktu 4,9 detik dan waktu pemulihan 4,3 detik. Siklus dari sensor yang dibuat ini berperilaku saat kelembapan relatif bervariasi dari 35-85% RH.
Sebagai penutup, pengaruh konsentrasi lapisan gel agarosa pada kemampuan MBR untuk merasakan perubahan kelembaban relatif berhasil dibuktikan. Sampel MBR difabrikasi dengan teknik soften and compress kemudian dilapisi dengan gel agarose. Kami membandingkan dua konsentrasi gel agarosa 0,5% dan 1% dalam hal kemampuannya untuk meningkatkan kinerja resonator botol-mikro sebagai sensor kelembaban. Kedua sampel yang dilapisi menunjukkan peningkatan sensitivitas dan resolusi dibandingkan MBR yang tidak dilapisi. Namun, MBR yang dilapisi dengan gel agarosa 1% memiliki sensitivitas yang lebih rendah sebesar 0,090 dBm/%RH dibandingkan dengan sampel MBR yang dilapisi gel agarosa 0,5% dengan sensitivitas 0,108 dBm/%RH. Hal ini disebabkan ukuran pori agarosa dipengaruhi oleh konsentrasi dan perubahan indeks bias lapisan gel agarosa tergantung pada porositasnya. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan lapisan gel agarosa dengan konsentrasi lebih rendah merupakan pilihan yang baik untuk membangun sensor kelembaban relatif.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mop.32838
Huda Adnan Zain, Malathy Batumalay, Hazli Rafis, Abdul Rahim, Moh Yasin, S. W. Harun., Effect of agarose concentration on coated micro-bottle resonators for humidity detection.
