A Multimodal and Multifunctional CMOS Cellular Interfacing Array for Digital Physiology and Pathology Featuring an Ultra Dense Pixel Array and Reconfigurable Sampling Rate

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作者
Adam Wang,Yuguo Sheng,Wanlu Li,Doohwan Jung,Gregory Junek,Hangxing Liu,Jong-Seok Park,Dongwon Lee,Mian Wang,Sushila Maharjan,Sagar Kumashi,Jin Hao,Yu Shrike Zhang,Kevin Eggan,Hua Wang
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:16 (6): 1057-1074 被引量:10
标识
DOI:10.1109/tbcas.2022.3224064
摘要

The article presents a fully integrated multimodal and multifunctional CMOS biosensing/actuating array chip and system for multi-dimensional cellular/tissue characterization. The CMOS chip supports up to 1,568 simultaneous parallel readout channels across 21,952 individually addressable multimodal pixels with 13 μm × 13 μm 2-D pixel pitch along with 1,568 Pt reference electrodes. These features allow the CMOS array chip to perform multimodal physiological measurements on living cell/tissue samples with both high throughput and single-cell resolution. Each pixel supports three sensing and one actuating modalities, each reconfigurable for different functionalities, in the form of full array (FA) or fast scan (FS) voltage recording schemes, bright/dim optical detection, 2-/4-point impedance sensing (ZS), and biphasic current stimulation (BCS) with adjustable stimulation area for single-cell or tissue-level stimulation. Each multi-modal pixel contains an 8.84 μm × 11 μm Pt electrode, 4.16 μm × 7.2 μm photodiode (PD), and in-pixel circuits for PD measurements and pixel selection. The chip is fabricated in a standard 130nm BiCMOS process as a proof of concept. The on-chip electrodes are constructed by unique design and in-house post-CMOS fabrication processes, including a critical Al shorting of all pixels during fabrication and Al etching after fabrication that ensures a high-yield planar electrode array on CMOS with high biocompatibility and long-term measurement reliability. For demonstration, extensive biological testing is performed with human and mouse progenitor cells, in which multidimensional biophysiological data are acquired for comprehensive cellular characterization.
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