CMOS Capacitive dust detection system for space applications characterized with lunar simulant

In space, where physical access is extremely limited or even entirely impractical, satellites, spacecraft, and large scientific instruments, such as telescopes, are difficult to repair once deployed. Given the high costs of development and launch, it is important to ensure both reliability and cleanliness, anticipating or monitoring potential failures before they become critical. One particularly relevant aspect concerns long life missions or vibrations generated during launch, which can release dust particles that may then deposit on satellite instrumentation, compromising its functionality. For this reason, an effective solution is represented by the integration of a capacitive sensor implemented in CMOS technology. This work presents the current development of a system designed to support sensor integration, with specific attention to EMC, power, and dimensional constraints. The proposed architecture is based on a modular two-board system (Carrier and Motherboard) that integrates a high-precision 16-bit ADC and an ultra-low-power microcontroller. The system supports autonomous data logging and wireless communication via Bluetooth Low Energy (BLE). A specific firmware was developed to manage signal acquisition, data processing, and system communication. Finally, the performance of a previous sensor generation was validated through an experimental campaign involving lunar dust simulant. The results demonstrated a high correlation between the electrical signals and the physical particle size , achieving a reliable detection accuracy and allowing for a real-time reconstruction of the dust grain distribution.

Nello spazio, dove l'accesso fisico è estremamente limitato o del tutto impraticabile, satelliti, veicoli spaziali e grandi strumenti scientifici, come i telescopi, risultano difficili da riparare una volta operativi. Dati gli elevati costi di sviluppo e lancio, è fondamentale garantire sia l'affidabilità che la pulizia, anticipando o monitorando potenziali guasti prima che diventino critici. Un aspetto particolarmente rilevante riguarda le missioni di lunga durata o le vibrazioni generate durante il lancio, che possono rilasciare particelle di polvere in grado di depositarsi sulla strumentazione di bordo, compromettendone la funzionalità. Per questo motivo, un'efficace soluzione è rappresentata dall'integrazione di un sensore capacitivo realizzato in tecnologia CMOS. Questo lavoro presenta lo sviluppo di un sistema progettato per supportare l'integrazione del sensore, con specifica attenzione ai vincoli di compatibilità elettromagnetica (EMC), alimentazione e dimensioni. L'architettura proposta si basa su un sistema modulare a due schede (Carrier e Motherboard) che integra un ADC a 16 bit ad alta precisione e un microcontrollore a bassissimo consumo. Il sistema supporta il data logging autonomo e la comunicazione wireless tramite Bluetooth Low Energy (BLE). È stato inoltre sviluppato un firmware specifico per gestire l'acquisizione dei segnali, l'elaborazione dei dati e la comunicazione di sistema. Infine, le prestazioni di una generazione precedente del sensore sono state validate attraverso una campagna sperimentale con simulante di polvere lunare. I risultati hanno dimostrato un'elevata correlazione tra i segnali elettrici e la dimensione fisica delle particelle, raggiungendo un'accuratezza di rilevamento affidabile e consentendo la ricostruzione in tempo reale della distribuzione granulometrica della polvere.