Simulasi penyajian kapasitor MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ini menggunakan perangkat lunak COMSOL Multiphysics 5.0.Penelitian ini terdiri dari merancang dan menyetel atau tining kapasitor pelat paralel yang dapat diatur secara elektrostatis untuk mendapatkan peningkatan nilai kapasitansi. Menyetel nilai kapasitansi dengan mengubah parameter desain kapasitor telah dilakukan dan ditunjukkan dengan 3 cara yaitu: dengan mengubah bahan dielektrik, mengurangi ketinggian pegas, dan memperluas area kapasitor

Masfufiah, Ilmiatul

Setiawati, Novie Elok

Wati, Trisna

Indonesian

e-Jurnal ITATS (Institut Teknologi Adhi Tama Surabay)

- 791 - 
 
Desain Tunable Kapasitor berbasis MEMS Menggunakan Comsol 
Multiphysics  
 
Ilmiatul Masfufiah1, Trisna Wati2, dan Novie Elok Setiawati3 
1,2,3Jurusan Teknik Elektro, FTETI, Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya 
e-mail: i.masfufiah@itats.ac.id  
 
ABSTRACT  
This presents simulation of tunable MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) capacitor was using 
COMSOL Multiphysics 5.0 software. This study was consisted of designing and tuning the electrostatically 
tunable parallel pelate capacitor to obtain the increasing capacitance value. Tuning the capacitance value 
by changing the capacitor design parameter has been done in this study. The goal of tuning capacitance 
value was 0.1 pF. The result showed there were 3 ways to increase the capacitance value: by changing the 
dielectric material, reducing height of spring, and widening capacitor area. 
Keywords: MEMS; tunable capacitor; capacitance value; COMSOL Multiphysics Software 
 
ABSTRAK  
Simulasi penyajian kapasitor MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ini menggunakan perangkat 
lunak COMSOL Multiphysics 5.0.Penelitian ini terdiri dari merancang dan menyetel atau tining kapasitor 
pelat paralel yang dapat diatur secara elektrostatis untuk mendapatkan peningkatan nilai kapasitansi. 
Menyetel nilai kapasitansi dengan mengubah parameter desain kapasitor telah dilakukan dan ditunjukkan 
dengan 3 cara yaitu: dengan mengubah bahan dielektrik, mengurangi ketinggian pegas, dan memperluas 
area kapasitor. 
Kata kunci: MEMS, Kapasitor, Nilai Kapasitansi, Comsol Multiphysics 
 
 
PENDAHULUAN  
 Pada Pembuatan MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), merancang perangkat 
sebelum fabrikasi sangat diperlukan untuk efisiensi kerja dan efektifitas kerja. MEMS adalah 
proses teknologi yang digunakan untuk membuat perangkat atau sistem terintegrasi berukuran 
kecil yang menggabungkan sistem mekanik dan listrik. MEMS [1] terdiri dari mikrostruktur, 
mikrosensor, microaktuator ,dan mikroelectronik yang terintegrasi ke dalam chip silikon yang 
sama, sehingga MEMS memiliki kemampuan untuk merasakan, mengendalikan, dan 
menggerakkan pada skala mikro dan menghasilkan efek dalam skala makro [2]. Penginderaan 
kapasitif atau elektrostatik adalah Salah satu mekanisme penginderaan presisi yang paling 
banyak digunakan [3]. Kapasitor adalah komponen elektronik yang menyimpan listrik dan 
biasanya dibuat oleh 2 konduktor biasanya berbentuk pelat yang dipisahkan oleh pelat berbahan 
dielektrik dan bermuatan listrik saat terhubung ke Sumber. MEMS kapasitor ini terdiri dari dua 
pelat logam paralel, pelat bawah dipasang saat pelat atas bergerak. Ketika tekanan diterapkan ke 
pelat atas, akan ada perubahan Jarak antara dua pelat kapasitor dan menghasilkan perubahan nilai 
kapasitansi [1].  
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk meningkatkan nilai kapasitansi dari dua pelat 
paralel yang dirancang dengan menyetel parameternya. Satu piring menumpuk muatan positif 
dan yang lainnya Pelat menumpuk muatan negatif [4]. Tegangan diterapkan ke satu Piring dan 
piring lainnya ditahan pada potensial rendah atau tanah. Sejumlah kapasitor variable berbasis 
MEMS telah dirancang, Dibuat dan dipelajari secara luas[5]. Secara umum, ada tiga Metode 
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan VII 2019  ISSN (print): 2686-0023 
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya   ISSN (online): 2685-6875 
 
- 792 - 
 
untuk mengubah kapasitansi pelat paralel Kapasitor: metode penyetelan celah, metode 
penyetelan luas area, dan metode perpindahan dielektrik [6].  
 
METODE 
Penelitian ini terdiri dari beberapa langkah-langkah. Langkah pertama[2] adalah merancang 
kapasitor dengan menentukan semua parameter untuk mengevaluasi nilai kapasitansi, sedangkan 
langkah kedua adalah menyetel kapasitor untuk meningkatkan nilai kapasitansi. 
START
DEFINING MODEL OF SIMULATION
BUILDING GEOMETRY OF CAPACITOR
(plate area)
DEFINING EXPLICIT
DEFINING RELATIVE PERMITTIVITY OF 
DIELECTRIC MATERIAL
DEFINING BOUNDARY FOR 
ELECTROSTATICS
COMPUTE 
PLOT DATA GROUP
DEFINING SELECTION LIST FOR 
GEOMETRIC ENTITY LEVEL
EVALUATING CAPACITANCE VALUE
FINISH
BUILDING GEOMETRY OF CAPACITOR
(spring)
DEFINING EXPLICIT DEFINING EXPLICIT
 
Gambar 1. Flowcart Desain perancangan MEMS kapasitor 
Desain Kapasitor 
Desain dan perancangan kapasitor bergantung pada beberapa parameter, seperti bahan, 
struktur, dan bentuk [2]. Semua parameter perlu dioptimalkan untuk mendapatkan kapasitansi 
sesuai dengan keinginan. Kapasitor ini terdiri dari elektroda [7], Alas bidang sebagai ground, dan 
bahan dielektrik. Pada perancangan ini, bahan dielektrik yang digunakan memiliki nilai relatifitas 
relatif 4.2. Bentuk pelat paralel elektrostatik ditunjukkan pada Gambar 2. 
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan VII 2019  ISSN (print): 2686-0023 
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya   ISSN (online): 2685-6875 
 
- 793 - 
 
 
Gambar 2. Mems Kapasitor yang terdiri dari dua pelat metal, jarak antara dua pelat di atur 
menggunakan pegas yang terhubung pada salah satu pelat. 
 
Tuning Kapasitansi 
Dalam mendesain kapasitor, modul fisika Elektrostatik 3D pada Modul AC / DC[7] 
digunakan untuk mendapatkan nilai kapasitansi. Penelitian ini diatur stasioner. Kapasitansi 
tersedia secara langsung sebagai variabel untuk postprocessing. Potensial listrik V, memenuhi 
persamaan Poisson 
                                                       (1)            
Dimana ε0 merupakan permitivitas ruang hampa (8.854 x 10-12 Fm-1), εr merupakan 
permitivitas relative material antara dua pelat dan ρ merupakan densitas muatan. Medan listrik 
dan perpindahan diperoleh dari gradien V 
                                                               (2) 
                                                   (3) 
Batas potensial diterapkan pada pelat kapasitor dan batang pelat. Kondisi terminal di 
atur tetap dengan kondisi potensial 1 V di pelat atas dan batang penghubung, dimana pelat bawah 
tetap dalam kondisi potensial ground. Untuk kondisi permukaan pada box tidak ada perubahan 
apapun pada permukaannya.  
n . D = 0                                                               (4) 
Pada dasarnya, ada tiga faktor yang menentukan nilai kapasitansi yaitu luas pelat, jarak 
pelat, dan material bahan dielektrik. Semua faktor ini menentukan nilai kapasitansi dengan 
memengaruhi seberapa banyak fluks medan listrik (perbedaan relatif elektron antara pelat) yang 
akan dikembangkan untuk jumlah gaya medan listrik tertentu (tegangan antara dua pelat). 
Perubahan area pelat atau bahan dielektrik berbanding lurus dengan nilai kapasitansi,  dan 
berbanding terbalik dengan jarak pelat. 
 
Tuning Area Pelat 
Perubahan luas pelat sebanding dengan nilai kapasitansi. Area pelat yang lebih besar 
akan memberikan nilai kapasitansi yang lebih besar karena area pelat yang lebih besar membuat 
muatan berkumpul pada pelat dan menghasilkan lebih banyak fluks medan (tegangan yang 
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan VII 2019  ISSN (print): 2686-0023 
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya   ISSN (online): 2685-6875 
 
- 794 - 
 
melintasi pelat) [4]. Ada 2 variasi pengaturan area pelat yaitu memperluas area pelat atas saja dan 
memperluas area pelat atas dan bawah.  
 
Tuning Jarak Pelat 
Dua pelat logam paralel dihubungkan oleh pegas yang memiliki jari-jari 5,5μm dan 
tinggi 38μm. Perubahan jarak pelat ini (pegas) berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi. 
Semakin tinggi ketinggian pegas akan memberikan nilai kapasitansi yang lebih rendah. Jarak 
pelat yang lebih dekat akan menghasilkan gaya medan yang lebih besar (tegangan yang melintasi 
kapasitor dibagi dengan jarak antara pelat), yang juga menghasilkan fluks medan yang lebih 
besar untuk setiap tegangan yang diberikan pada pelat [4]. Jadi, untuk meningkatkan nilai 
kapasitansi menjadi 0,1 pF, pegas harus dibuat lebih pendek. 
 
Tuning Bahan Dielektrik 
Dielektrik adalah bahan yang dapat mempengaruhi dan dipengaruhi oleh bagian listrik 
dari medan elektromagnetik. Dalam kapasitor, muatan terakumulasi pada setiap pelat, 
menciptakan medan listrik di antara pelat. Ketika dielektrik dimasukkan di antara pelat, polarisasi 
dielektrik menyebabkan dipol berlawanan dengan bidang dielektrik yang diterapkan[8]. 
Permitivitas material umumnya muncul dari efek pada elektron dalam atom individu atau 
molekul dalam material [5]. Permitivitas dielektrik yang lebih besar memberikan kapasitansi 
yang lebih besar. Bahan dengan permitivitas yang lebih besar memungkinkan lebih banyak fluks 
dan menghasilkan muatan yang terkumpul lebih besar untuk setiap jumlah gaya yang diberikan 
[4]. Oleh karena itu, dalam penelitian ini nilai permitivitas relatif ditingkatkan untuk 
mendapatkan nilai kapasitansi 0,1 pF.  
 
HASIL DAN PEMBAHASAN 
Desain Kapasitor ini terdiri dari dua pelat logam paralel: pelat atas dan pelat bawah. 
Lebar pelat atas dan bawah diatur 176μm. Kedua pelat dihubungkan oleh pegas yang tingginya 
38μm dengan jari-jari 5,5μm. Permitivitas relatif untuk bahan dielektrik diatur menjadi 4.2. 
sehingga menghasilkan nilai kapasitansi 0,08854 pF (~ 0,09 pF) diantara dua pelat. Setelah tahap 
desain kapasitor, penyetelan area pelat dibagi menjadi 2 variasi. Yang pertama dengan 
melebarkan pelat atas saja dan yang kedua dengan memperluas kedua pelat. Untuk mencapai 0,1 
pF, pelat atas melebar menjadi 208μm sedangkan pelat bawah masih 176μm. Ini menghasilkan 
nilai kapasitansi 0,9223 pF. Dalam percobaan kedua, baik pelat atas dan pelat bawah disetel ke 
208μm. Ini menghasilkan nilai kapasitansi 0,10031 pF. Kapasitansi meningkat seiring dengan 
bertambahnya luas pelat, karena lebih banyak muatan yang dapat disimpan ketika potensial 
berhenti. Dari percobaan tersebut, dapat disimpulkan bahwa memperluas kedua area pelat akan 
memberikan efek yang lebih besar pada nilai kapasitansi daripada hanya memperluas pelat 
bagian atas saja. 
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan VII 2019  ISSN (print): 2686-0023 
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya   ISSN (online): 2685-6875 
 
- 795 - 
 
 
Gambar 3. Perubahan potesial listrik pada kapasitor a) Dengan tuning area pelat, b) tuning jarak 
pelat, c) tuning bahan dielektrik. potensial pada masing-masing pelat kapasitor adalah konstan. 
 
Penyetelan jarak pelat telah dilakukan dengan memperpendek jarak antara dua pelat. 
Ketinggian pegas diatur ke 33,5μm untuk mencapai 0,10007 pF. Semakin tinggi pegas, maka 
semakin kecil nilai kapasitansi yang dihasilkan. Langkah terakhir adalah Tuning permitivitas 
relatif bahan dielektrik juga mempengaruhi nilai kapasitansi. Semakin tinggi permitivitas relatif, 
semakin banyak nilai kapasitansi yang dihasilkan. Untuk mencapai nilai kapasitansi 0,1 pF, 
permitivitas relatif ditingkatkan menjadi 4,75. Ini menghasilkan nilai kapasitansi 0,10013 pF. 
Hasil dari tuning pada penelitian ini menghasilkan beberapa nilai kapasitansi seperti pada Tabel 
1. 
Tabel 1. Hasil Tuning parameter 
Parameter 
Capacitance 
Value 
(pF) 
Pelate area Pelate spacing 
Dielectric 
material 
Upper 
pelate 
(μm) 
Lower 
pelate 
(μm) 
Height 
(μm) 
Radius 
(μm) 
Rel. 
permittivity 
208 176 38 5.5 4.2 0.09223 
208 208 38 5.5 4.2 0.10031 
176 176 33.5 5.5 4.2 0.10007 
176 176 38 5.5 4.75 0.10013 
 
KESIMPULAN 
Pada penelitian ini diketahui ada 3 cara merancang nilai kapasitansi telah ditunjukkan. 
Untuk mendapatkan nilai kapasitansi 0,1 pF, area pelat harus diatur 208μm (15% lebih lebar dari 
desain dasar) di kedua pelat. Spasi pelat juga harus diatur lebih pendek (6,9% lebih pendek dari 
desain dasar) dan bahan dielektrik harus diubah menjadi yang relatif lebih tinggi (4,75) 
 
DAFTAR PUSTAKA 
[1] M. M. Teymoori and J. M. Ahangarkolaei, “A Tunable Capacitor Based on MEMS 
Technology for RF Applications,” vol. 6, p. 5, 2016. 
[2] G. Mishra, N. Paras, A. Arora, and P. J. George, “Simulation Of Mems Based Capacitive 
Pressure Sensor Using Comsol Multiphysics,” p. 4, 2012. 
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan VII 2019  ISSN (print): 2686-0023 
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya   ISSN (online): 2685-6875 
 
- 796 - 
 
[3] T. Wati, A. Sahrin, T. Suheta, and I. Masfufiah, “Design And Simulation Of Electric Center 
Distribution Panel Based On Photovoltaic System,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 
462, p. 012048, Jan. 2019. 
[4] S. Arora, A. Arora, and P. J. George, “Design Of Mems Based Microcantilever Using 
Comsol Multiphysics,” p. 3, 2012. 
[5] R. L. Borwick, P. A. Stupar, J. DeNatale, R. Anderson, Chialun Tsai, and K. Garrett, “A 
high Q, large tuning range, tunable capacitor for RF applications,” in Technical Digest. 
MEMS 2002 IEEE International Conference. Fifteenth IEEE International Conference on 
Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No.02CH37266), Las Vegas, NV, USA, 2002, pp. 
669–672. 
[6] I. Masfufiah, “Perancangan Pemanas dan Pengontrol Suhu Sesuai Kondisi Pada Mulut 
Manusia Berbasis Mikrokontroler Arduino Uno,” J. IPTEK, vol. 23, no. 1, pp. 25–30, Jul. 
2019. 
[7] S. A. S. Alkadhim, “Modeling Piezoelectric Devices with COMSOL Multiphysics,” 2017. 
[8] A. Kolomeytsev, P. Baranov, and I. Zatonov, “The Fluxgate Magnetometer Simulation in 
Comsol Multiphysics,” MATEC Web Conf., vol. 155, p. 01005, 2018. 
 


Desain Tunable Kapasitor berbasis MEMS Menggunakan Comsol Multiphysics

https://ejurnal.itats.ac.id/sntekpan/article/download/619/419

Desain Tunable Kapasitor berbasis MEMS Menggunakan Comsol Multiphysics

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

e-Jurnal ITATS (Institut Teknologi Adhi Tama Surabay)