This paper presents a low-power, optical systemon-chip (SoC) enabling wireless fluorescence detection. The proposed SoC, in size of 2 x 2.7 mm², integrates a high-sensitivity optical front-end, battery management unit and energy harvesting, and a wireless data transceiver. A fast-settling transimpedance amplifier (TIA) ensures rapid startup and minimizes power consumption, supported by dual-mode low dropout regulators (LDO regulators) for efficient power management. The SoC achieves ultra-low power, 1 μW, operation with 0.5 pA sensitivity, suitable for non-invasive cellular monitoring. The SoC is implemented using 65 nm CMOS technology.

Fluorescence-based biosensing has revolutionized biomedical research, offering a powerful tool for non-invasive cellular monitoring. By leveraging optical detection techniques, these systems enable precise tracking of biochemical processes at the microscale. Implantable fluorescence sensing systems enable real-time biomedical monitoring, providing high-resolution cellular activity detection in vivo environments. These systems are crucial for tracking biomarkers like calcium ion concentrations, advancing disease diagnostics. To ensure long-term operation, they must be miniaturized and ultra-low power, enabling efficient signal acquisition and data communication within the strict constraints of implantable devices.

This research proposes innovative front-end designs for implantable fluorescence sensing, addressing challenges in sensitivity, dynamic range (DR), and power efficiency. A novel tunable transimpedance amplifier (TIA) was designed to detect currents from 1 pA to 400 pA, using pseudo-resistor (PR) feedback to minimize silicon area. To ensure reliable signal acquisition in varying lighting conditions, an ambient light cancellation technique was developed, demonstrating 1 pA sensitivity with a total front-end power consumption of 61.8 μW. Furthermore, to address the DR limitation, a novel two-step conversion technique was introduced, extending the DR by 2 bits to 72.3 dB using a 10-bit successive approximation register (SAR) analog to digital converter (ADC), achieving an effective resolution of 12 bits. A further optimized design extended the DR by 3 bits, utilizing a 12-bit SAR ADC, pushing the effective DR to 15 bits, along with a high-speed, fast-settling technique for the PR TIA block, implemented in 65 nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS).

Earlier implementations of front-ends in this study focused on overcoming individual challenges. To provide a solution for implantable non-invasive fluorescent monitoring, the final development in this thesis proposes a system-on-chip (SoC) that integrates the optical front-end with the proposed power management and wireless communication units. This SoC marks progress toward a fully miniaturized and ultra-low-power solution.

The developed SoC integrates a high-sensitivity optical front-end with the proposed fast-settling TIA (configurable gain: 2 bits) and a light-emitting diode (LED) driver (configurable current: 2 bits) for fluorescence excitation, alongside a radio frequency (RF) energy-harvesting and power management unit (PMU). The PMU includes the proposed ultra-low-power battery monitoring and dual-mode low-dropout regulators, enabling the idle and standby modes to further reduce power consumption. Data acquisition is managed by a 12-bit SAR ADC and a power-optimized Static Random-Access Memory (SRAM) for standby mode, which temporarily stores measurements before wireless transmission to a base station. Implemented in 65 nm CMOS technology, the SoC achieves a configurable sensitivity of 0.5–2 pA, operating at an average power consumption of 1 μW, and supporting an upper DR limit of 1 nA–5 nA. This compact 2 x 2.7 mm² SoC represents a major step forward in next-generation wireless fluorescence biosensing, unlocking new possibilities for real-time implantable applications.

Fluorescensbaserad biosensorik har revolutionerat biomedicinsk forskning genom att erbjuda ett kraftfullt verktyg för icke-invasiv cellulär övervakning. Genom att utnyttja optiska detektionstekniker möjliggör dessa system noggrann spårning av biokemiska processer på mikroskala. Implanterbara fluorescenssensorer möjliggör realtidsövervakning av biomedicinska parametrar och ger högupplöst detektion av cellulär aktivitet i in vivo-miljöer. Dessa system är avgörande för att spåra biomarkörer såsom kalciumjonkoncentrationer, vilket bidrar till förbättrad sjukdomsdiagnostik. För att säkerställa långvarig drift måste de vara miniatyriserade och extremt strömsnåla, vilket möjliggör effektiv signalinsamling och datakommunikation inom de strikta begränsningarna för implanterbara enheter.

Denna forskning föreslår innovativa front-end-lösningar för implanterbar fluorescenssensorik och hanterar utmaningar relaterade till känslighet, dynamiskt område och energieffektivitet. En nyutvecklad tunerbar transimpedansförstärkare designades för att detektera strömmar från 1 pA till 400 pA, med hjälp av pseudo-resistiv återkoppling för att minimera kiselarean. För att säkerställa pålitlig signalinsamling under varierande ljusförhållanden utvecklades en teknik för omgivningsljuskompensation, vilket demonstrerade 1 pA känslighet med en total front-end effektförbrukning på 61,8 μW. Vidare introducerades en ny tvåstegs konverteringsteknik för att utöka det dynamiska området med 2 bitar till 72,3 dB genom en 10-bitars SAR-ADC, vilket uppnådde en effektiv upplösning på 12 bitar. En ytterligare optimerad design förlängde DR med 3 bitar genom att använda en 12-bitars SAR-ADC, vilket ökade det effektiva DR till 15 bitar, tillsammans med en höghastighets fast-settling-teknik för PRTIA- blocket, implementerad i 65 nm CMOS.

Tidigare implementeringar av front-ends i denna studie fokuserade på att lösa enskilda utmaningar. För att möjliggöra en lösning för implanterbar, icke-invasiv fluorescensövervakning föreslår den slutliga utvecklingen i denna avhandling ett system-on-chip (SoC) som integrerar den optiska front-end:en med den föreslagna strömsystem- och trådlösa kommunikationsenheten. Detta SoC markerar ett framsteg mot en fullt miniatyriserad och ultra-låg effektlösning.

Det utvecklade SoC:et integrerar en högkänslig optisk front-end med den föreslagna fast-settling TIA (konfigurerbar förstärkning: 2 bitar) och en LED-driver (konfigurerbar ström: 2 bitar) för fluorescensexcitation, tillsammans med en RF-energiutvinnings- och strömhanteringsenhet (PMU). PMU inkluderar den föreslagna ultralåg effekt batteriövervakningen och dubbel-läges LDO-regulatorer, vilket möjliggör idle- och standby-lägen för att ytterligare minska strömförbrukningen. Datainsamlingen hanteras av en 12-bitars SARADC och ett effektoptimerat SRAM för standby-läge, vilket tillfälligt lagrar mätningar innan trådlös överföring till en basstation. Implementerad i 65 nm CMOS-teknologi, uppnår SoC:et en konfigurerbar känslighet på 0,5–2 pA, med en genomsnittlig effektförbrukning på 1 μW och stöd för ett övre dynamiskt områdesgräns på 1 nA–5 nA. Detta kompakta 2 x 2,7 mm² SoC representerar ett stort framsteg inom nästa generations trådlösa fluorescensbiosensorer, vilket öppnar nya möjligheter för realtidsapplikationer inom implanterbar teknologi.

This paper presents a CMOS optical analog frontend for an implantable fluorescence biosensor for single-cell measurements. The front-end is configurable by a set of switches and consists of three integrated photodiodes (PD), three transimpedance amplifiers (TIA) for detecting a current range between 1 pA up to 10 mA. Also, ambient light and dark current canceling technique is proposed to make the sensor operate at different environmental conditions. The proposed front-end could be configured for ultra-low light detection or ultra-low power consumption. The circuit is simulated at the post-layout level. The minimum integrated input-referred current noise is obtained as 546 fA at the average power consumption of 1 μW for bandwidth (BW) of 1.4 kHz. For ultra-low-power configuration, the front-end has an average power consumption of 24 nW and input integrated current noise of 210 pA with 50 kHz BW.