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.

Implantable fluorescence sensors enable real-time biomolecular monitoring with deeper physiological insights than benchtop microscopy. Operating in vivo, these sensors track biochemical changes and disease progression with minimal interference. To overcome the limitations of existing biomolecular monitoring systems, this research presents a novel ultra-low-power, wireless configurable system-on-chip (SoC) for implantable fluorescence sensing.

This research progresses from the initial study and implementation of optical frontends to the development of the final fabricated SoC, which integrates all subsystems, including optical signal processing, data acquisition, power management, and wireless communication into a single compact solution.

To achieve highly sensitive fluorescence detection, three innovative transimpedance amplifiers have been designed in CMOS technology to address key challenging requirements for sensitivity, dynamic range, and ambient light interference. The final SoC incorporates a fast-settling pseudo-resistive transimpedance amplifier with a configurable sensitivity range of 0.5-2 pA and a dynamic range upper limit of 1-5 nA, ensuring highly sensitive fluorescence detection. Further refinements in system design enable data acquisition and reliable storage of biological signals with a 12-bit 10 KS/s SAR ADC and a 12Kb power-optimized 10T SRAM memory.

Furthermore, to enable long-term reliable operation of the SoC, a novel power management solution has been developed to optimize energy efficiency while maintaining system performance. This solution utilizes RF energy harvesting and proposes a four-function low-power battery monitoring unit for regulated charging and discharging. As part of this development, a newly designed dual-mode low dropout regulator is introduced, allowing high-current supply during active measurement and transitioning to an ultra-low quiescent state during idle and standby modes. This solution also includes power gating and a pulsed operation scheme within the SoC to minimize unnecessary power dissipation. To further enhance power efficiency, a fast-settling front-end has been designed to facilitate rapid optical measurement transitions.

In addition, a wireless data transfer system that enables remote configurability of the SoC parameters and low-power data uplink to the base station has been developed. The designed amplitude shift keying demodulator allows remote configuration of optical front-end gain (2 bits) and LED driver current (2 bits), adapting the system to various fluorescence sensing conditions. The utilized backscatter-based communication approach in the uplink enables fluorescence data transmission without the need for a dedicated power amplifier. Additionally, a timing synchronization mechanism using relaxation oscillators is developed to coordinate measurement, data storage, and communication operations, ensuring fully autonomous operation of the implantable SoC throughout the entire measurement process.

By incorporating the advancements developed in this research in sensing accuracy, power efficiency, and wireless configurability, an innovative implantable SoC for fluorescence sensing has been developed as the final stage of this study. Fabricated in 65 nm CMOS, the final SoC achieves an ultra-low average power consumption of 1 µW while maintaining a fluorescence detection sensitivity of 1.1 pA within a compact 2 × 2.7 mm² form factor. This represents a step forward in fully implantable biosensing, providing a scalable and energy-efficient solution for long-term biomolecular monitoring in freely moving subjects.

Implanterbara fluorescenssensorer möjliggör biomolekylär övervakning i realtid med djupare fysiologisk insikt än vad som kan uppnås med mikroskopi på labbänken. Genom att fungera in vivo kan dessa sensorer följa biokemiska förändringar och sjukdomsförlopp med minimal påverkan på kroppen. För att övervinna begränsningarna hos befintliga system för biomolekylär övervakning presenterar denna forskning ett nytt, ultra-strömsnålt och trådlöst konfigurerbart systemkrets (SoC) för implanterbar fluorescensmätning.

Arbetet sträcker sig från den inledande studien och implementeringen av optiska front-end-komponenter till utvecklingen av den slutgiltiga färdiga systemkretsen, som integrerar alla delsystem – inklusive optisk signalbehandling, datainsamling, energihantering och trådlös kommunikation – i en kompakt lösning.

För att uppnå mycket känslig fluorescensdetektion har tre innovativa transimpedansförstärkare utformats i CMOS-teknik, där man hanterar utmaningar kring känslighet, dynamiskt omfång och störningar från omgivningsljus. Den färdiga systemkretsen innehåller en snabbstabiliserande pseudo-resistiv transimpedansförstärkare med justerbart känslighetsintervall från 0,5 till 2 pA och ett övre dynamiskt gränsvärde på 1 till 5 nA, vilket möjliggör mycket känslig mätning av fluorescens. Ytterligare förbättringar i systemdesignen möjliggör datainsamling och tillförlitlig lagring av biologiska signaler med en 12-bitars, 10 KS/s SAR ADC och ett 12 Kb energieffektivt 10T SRAM-minne För långsiktig och tillförlitlig drift av systemet har en ny energihanteringslösning utvecklats för att optimera energieffektiviteten utan att kompromissa med systemets prestanda. Lösningen använder RF-energiinsamling och inkluderar en fyrfunktionell batteriövervakningsenhet för reglerad laddning och urladdning. Som en del av denna lösning har en ny dubbel-läges låg-dropout-regulator utvecklats, vilket möjliggör hög strömtillförsel vid aktiv mätning och övergång till ett ultra-lågt viloläge vid standby. Lösningen inkluderar även strömgating och pulsstyrd drift för att minimera onödig energiförbrukning. För att ytterligare förbättra energieffektiviteten har ett snabbt stabiliserande optiskt front-end utformats för att möjliggöra snabba mätväxlingar.

Dessutom har ett trådlöst datakommunikationssystem utvecklats, som möjliggör fjärrkonfiguration av systemparametrar och energisnål överföring till en basstation. Den konstruerade amplitudmodulerade nycklingsdemodulatorn (ASK) tillåter fjärrstyrd inställning av förstärkning (2 bitar) i det optiska front-end och LED-strömstyrning (2 bitar), vilket anpassar systemet till olika mätförhållanden. Den bakåtspridningsbaserade kommunikationslösningen möjliggör dataöverföring utan behov av en dedikerad effektförstärkare. Ett synkroniseringssystem med relaxation oscillatorer används för att samordna mätning, datalagring och kommunikation, vilket säkerställer ett helt autonomt arbete av det implanterbara systemet genom hela mätprocessen.

Genom att kombinera de framsteg som gjorts inom mätprecision, energieffektivitet och trådlös konfigurerbarhet har ett innovativt implanterbart system för fluorescensmätning utvecklats som slutresultat av denna studie. Den färdiga systemkretsen, tillverkad i 65 nm CMOS-teknik, uppnår en genomsnittlig strömförbrukning på endast 1 µW samtidigt som den bibehåller en mätningskänslighet på 0,5 pA, allt inom en kompakt yta på 2 × 2,7 mm². Detta representerar ett viktigt steg framåt för helt implanterbara biosensorer och möjliggör en skalbar och energisnål lösning för långsiktig biomolekylär övervakning i fritt rörliga individer.

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.