Design of Later Field Excitation Microbalances for Space Applications

Space exploration missions aim at studying the cosmos and making discoveries. Studying small mass quantities and extracting some of its properties such as its density, composition, and distribution of certain compounds can be applied to study environments like the plume of a comet or the atmosphere of a planet, including its dust. A Quartz Crystal Microbalance (QCM) allows for the achievement of these goals since the sensor can perform all the functionalities described and is extremely lightweight, thus resulting in particularly useful in the space sector, where mass is an important constraint. The system is composed of a small quartz disk stimulated by two electrodes. When supplied with alternating voltage, the piezoelectric material is deformed repeatedly, undergoing vibration. When vibrating at resonance frequency, the device output current increases, and by measuring time variation in resonance frequency, important info can be gathered on the external area, like the quantity of mass deposited on the crystal, its electrical properties change and its composition. The most common QCM electrode configuration is called Thickness Shear Excitation (TSE), which has space flight heritage and is applied even on the ground for cleanliness and contamination control purposes. A variation of this technology is studied in this work, called Lateral Field Excitation (LFE), which implements the electrodes in a different configuration, offering the advantage of obtaining a bare surface of the plate, which can be applied for other purposes, opening interesting possibilities in the space field. One drawback of the new technology is the inferior piezoelectric material activation, which produces less electrical current and is difficult to measure. For this reason, many attempts have been made to improve the sensor response. This thesis starts by modelling the TFE configuration through a Multiphysics software and tuning the developed numerical model by experimentally gathering data. Then, the LFE configuration model is defined and built and its optimal electrode layout is studied, improving the sensor output. Finally, new effective strategies are implemented, improving the sensor’s design further.

Le missioni di esplorazione spaziale mirano a studiare il cosmo e fare scoperte. Lo studio di piccole quantità di massa e l'estrazione di alcune delle loro proprietà come la densità, la composizione e la distribuzione di alcuni composti può essere applicato per studiare ambienti come la scia di una cometa o l'atmosfera di un pianeta, compresa la sua polvere. Una microbilancia a cristalli di quarzo (QCM) consente il raggiungimento di questi obiettivi poiché il sensore può svolgere tutte le funzionalità descritte ed è estremamente leggero, risultando quindi particolarmente utile nel settore spaziale, dove la massa è un vincolo importante. Il sistema è composto da un piccolo disco di quarzo stimolato da due elettrodi. Quando alimentato con tensione alternata, il materiale piezoelettrico si deforma ripetutamente, iniziando a vibrare. Vibrando alla frequenza di risonanza, la corrente in uscita del dispositivo aumenta e, misurando l’evoluzione temporale della frequenza di risonanza, informazioni importanti sulla zona esterna, come la quantità di massa depositata sul cristallo, il cambiamento delle sue proprietà elettriche e la sua composizione possono essere raccolte. La configurazione più comune degli elettrodi QCM è chiamata Thickness Shear Excitation (TSE), che ha già esperienza di di volo nello spazio e viene applicata anche a terra per scopi di pulizia e controllo della contaminazione. In questo lavoro, una variante di questa tecnologia, chiamata Lateral Field Excitation (LFE), viene studiata. Questa implementa gli elettrodi in una diversa configurazione, offrendo il vantaggio di ottenere una superficie nuda del piatto, che può essere applicata per altri scopi, aprendo interessanti possibilità in campo spaziale. Uno svantaggio della nuova tecnologia è l’attivazione inferiore del materiale piezoelettrico, che produce meno corrente elettrica, di difficile misurazione. Di conseguenza sono stati fatti molti tentativi per migliorare la risposta del sensore. Questa tesi inizia modellando la configurazione TFE tramite un software Multifisico e mettendo a punto il modello numerico sviluppato raccogliendo dati sperimentalmente. Successivamente, viene definito e costruito il modello di configurazione LFE, studiando la disposizione ottimale dei suoi elettrodi e migliorando l’output del sensore. Infine, nuove efficaci strategie vengono implementate, migliorando ulteriormente il design.