Fully electronic system for real-time monitoring of dust particle deposition for space applications

Conventional dust detection devices are unsuitable for use in confined environments subject to significant vibrations, such as those encountered during the deployment of space hardware. These sensors tend to be too bulky, power-hungry, and often require manual intervention. This thesis presents the development of an electronic system incorporating a CMOS sensor specifically designed to measure dust particles with a diameter of 1 um, addressing the limitations of traditional devices. The system is designed to be used during all the fabrication steps of space hardware and the launch phase to carefully monitor the dust environment, for a clear reference of the environmental contamination surrounding sensitive optical instruments. The work outlines the sensor's operating principle and provides an overview of its key functional blocks, followed by the design and implementation of the hardware and firmware, with a focus on miniaturization and portability. The system consists of two tightly integrated modules: the sensor module incorporates all the necessary components to properly drive the sensor and is interfaced with the motherboard module only via digital signals. This allows the sensor module to be compatible with different digital systems, beyond the one designed in this thesis. Finally, performance evaluations and the system's response to calibrated particulate matter is presented, demonstrating its effectiveness in addressing the challenges posed by conventional environmental dust contamination monitoring systems.

I dispositivi convenzionali di misura della contaminazione ambientale di micropolveri non sono adatti per l’utilizzo in ambienti ostili e ristretti soggetti a vibrazioni, come quelli che si verificano durante il lancio di un razzo nelle applicazioni spaziali. Questi dispositivi sono generalmente troppo ingombranti, richiedono un consumo energetico elevato e spesso necessitano di interventi manuali. Questa tesi presenta lo sviluppo di un sistema elettronico che utilizza un sensore CMOS progettato specificamente per misurare particelle di polvere con diametri di 1 um, affrontando le limitazioni dei dispositivi tradizionali. Il sistema è progettato per essere utilizzato durante tutte le fasi di fabbricazione dell'hardware spaziale e nella fase di lancio, al fine di monitorare attentamente l'eventuale deposizione di polveri sulle superfici e fornire un chiaro riferimento sulla contaminazione ambientale attorno a strumenti ottici sensibili. Il lavoro descrive il principio di funzionamento del sensore e fornisce una panoramica dei principali blocchi funzionali, seguita dalla progettazione e implementazione dell'hardware e del firmware del sistema elettronico, con particolare attenzione alla miniaturizzazione e portabilità. Per raggiungere questi obiettivi, il sistema è composto da due moduli strettamente integrati. Il modulo del sensore è stato progettato per fornire le tensioni corrette per il funzionamento del sensore, integrando le componenti necessarie sul lato inferiore della pcb. Questo permette al modulo di interfacciarsi con altri sistemi digitali per la lettura del sensore, oltre a quello progettato in questa tesi. Infine, vengono valutate le prestazioni e la risposta del sistema a particolato calibrato, dimostrando la sua efficacia nell'affrontare le sfide poste dai dispositivi di monitoraggio della contaminazione ambientale convenzionali.