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An Ingestible Pill With CMOS Fluorescence Sensor Array, Bi-Directional Wireless Interface and Packaged Optics for in-Vivo Bio-Molecular Sensing

CMOS芯片 炸薯条 材料科学 光无线 灵敏度(控制系统) 光电子学 电气工程 工程类 电子工程 无线 电信
作者
Chengjie Zhu,Yuhan Wen,Tao Liu,Haw Yang,Kaushik Sengupta
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:17 (2): 257-272 被引量:13
标识
DOI:10.1109/tbcas.2023.3244570
摘要

The article presents for the first time a pill-based ingestible electronics with CMOS integrated multiplexed fluorescence bio-molecular sensor arrays, bi-directional wireless communication and packaged optics in a FDA-approved capsule for in-vivo bio-molecular sensing. The silicon chip integrates both the sensor array, and the ultra-low-power (ULP) wireless system that allows offloading sensor computing to an external base station that can reconfigure the sensor measurement time, and its dynamic range, allowing optimized high sensitivity measurement under low power consumption. The integrated receiver achieves -59 dBm receiver sensitivity dissipating 121 µW of power. The integrated transmitter operates in a dual mode FSK/OOK delivering -15 dBm of power. The 15-pixel fluorescence sensor array follows an electronic-optic co-design methodology and integrates the nano-optical filters with integrated sub-wavelength metal layers that achieves high extinction ratio (39 dB), thereby eliminating the need for bulky external optical filters. The chip integrates photo-detection circuitry and on-chip 10-bit digitation, and achieves measured sensitivity of 1.6 attomoles of fluorescence labels on surface, and between 100 pM to 1 nM of target DNA detection limit per pixel. The complete package includes a CMOS fluorescent sensor chip with integrated filter, a prototyped UV LED and optical waveguide, functionalized bioslip, off-chip power management and Tx/Rx antenna that fits in a standard FDA approved capsule size 000.
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