CMOS 12mm^2 active area dust detector for spaceborne systems based on capacitive sensing

In space, where physical access is extremely limited or even entirely impractical, satellites, spacecraft, and large scientific instruments, such as telescopes, become very difficult to repair once deployed. Given the high development and launch costs, it is important to ensure their reliability and cleanliness, anticipating or monitoring possible failures before they become critical. A particularly relevant aspect is represented by the vibrations generated during the launch phase, which can cause deterioration of the spacecraft surfaces and, consequently, the formation of dust particles that may settle on the instrumentation, compromising its functionality. The integration of sensors capable of detecting phenomena such as dust deposition on the surfaces of the most sensitive instruments is therefore essential. Conventional devices for the detection of micrometric dust particles, however, are too bulky to be employed in space applications, where the weight of the instrumentation has a significant impact on the overall mission cost. An effective solution is represented by the integration of a capacitive sensor implemented in CMOS technology. This project was inspired by a previous prototype developed for atmospheric particulate detection, and the goal of this thesis has been the design of a 32-channel sensor adapted to the specific requirements of dust detection in space applications, using the AMS C35B4 0.35 um technology. In particular, the electrodes of each channel were optimized and redesigned to detect dust particles with diameters up to 100 um, a result achieved by alternating the geometrical arrangement of the electrodes. The active area of the sensor was also increased by a factor ten with respect to the previous prototype, reaching approximately 12 mm^2. In the signal amplification stage, a new pseudo-resistor structure with wide dynamic range, low noise, and tunable value was introduced. Its biasing is independent of both external currents and the input signal, thus ensuring stable equivalent resistance and a constant low-frequency pole. In addition, on-chip structures were implemented to define the bias of the pseudo-resistors and to set the cutoff frequency of the Gm-C filters required for lock-in amplification. Finally, two on-chip resistive dividers were included to generate the threshold voltages of the comparators in the Digital-to-Capacitance Converter, which injects a current into the amplifier virtual ground to compensate large mismatches between electrodes. The scalability of the proposed solution demonstrates the possibility of extending the number of channels, limited only by the available area and power consumption. The developed device shows an input-referred minimum capacitive noise of dC = 236 zFrms, which enables the detection of particles with diameters as small as 5 um, considered particularly critical for the proper operation of space instrumentation.

Nello spazio, dove l’accesso fisico è estremamente limitato o del tutto impraticabile, i satelliti, i veicoli spaziali e i grandi apparecchi scientifici, come ad esempio i telescopi, risultano difficilmente riparabili una volta dispiegati. Considerati gli elevati costi di sviluppo e lancio, è fondamentale garantirne l’affidabilità e la pulizia, anticipando o monitorando eventuali guasti prima che questi diventino critici. Un aspetto di particolare rilevanza è rappresentato dalle vibrazioni generate durante la fase di lancio, le quali possono provocare il deterioramento delle superfici del veicolo e, di conseguenza, la formazione di particelle di polvere che possono depositarsi sulla strumentazione del satellite, compromettendone le funzionalità. L'integrazione di sensori in grado di rilevare fenomeni come il deposito di polveri sulle superfici degli strumenti più sensibili risulta quindi fondamentale. I dispositivi convenzionali per il rilevamento di polveri micrometriche sono però troppo ingombranti per poter essere impiegati in applicazioni spaziali, dove il peso della strumentazione ha un impatto significativo sui costi complessivi di una certa missione. Una soluzione efficace è rappresentata dall’integrazione di un sensore capacitivo realizzato in tecnologia CMOS. Il progetto ha preso spunto da un precedente prototipo realizzato per la rilevazione di particolato atmosferico, e l'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo di un sensore a 32 canali riadattato alle specifiche richieste nella rilevazione di particelle di polvere in applicazioni spaziali, utilizzando la tecnologia AMS C35B4 0.35 um. In particolare, gli elettrodi di ciascun canale sono stati ottimizzati e riadattati per rilevare particelle di polvere con un diametro fino ai 100 um, e questa possibilità è stata ottenuta alternando la disposizione geometrica degli elettrodi. L'area attiva del sensore è stata inoltre aumentata di dieci volte rispetto al prototipo precedente, fino a circa 12 mm^2. Nello stadio di amplificazione del segnale è stata invece aggiunta una nuova struttura per uno pseudo-resistore ad ampia dinamica, basso rumore e di valore regolabile, la cui polarizzazione non dipende da correnti iniettate dall'esterno o dal segnale in ingresso, permettendo di mantenere stabile il valore della resistenza equivalente e del polo a bassa frequenza. In aggiunta, sono state implementate direttamente on-chip le strutture per determinare il bias degli pseudo-resistori e per determinare la frequenza di taglio dei filtri Gm-C, necessari per l'amplificazione lock-in. Infine, le due partizioni resistive per definire le tensioni di soglia dei comparatori del Digital-to-Capacitance Converter, necessario ad iniettare una corrente nella massa virtuale degli amplificatori per compensare grandi sbilanciamenti tra gli elettrodi, sono generate on-chip. La scalabilità della soluzione dimostra la possibilità di estendere il numero di canali, limitata unicamente dall'area disponibile e dalla potenza dissipata. Il dispositivo sviluppato presenta un rumore capacitivo minimo in ingresso pari a dC = 236 zFrms, valore che consente quindi la rilevazione di particelle con diametro pari a 5 um, considerate particolarmente critiche per il corretto funzionamento della strumentazione spaziale.