Elektrochemische sensorinterface-IC's voor de volgende generatie Point-of-Care en implanteerbare elektronica

Gastro-intestinale (GI) ziekten komen vrij vaak voor en kunnen zeer ernstig zijn. GI-kanker is bijvoorbeeld goed voor 25% van alle sterfgevallen door kanker in ontwikkelde landen en functionele GI-aandoeningen brengen aanzienlijk ongemak met zich mee in het dagelijks leven. Omdat het maagdarmkanaal het primaire kanaal is waarlangs materialen het menselijk lichaam binnenkomen en verlaten, is het ook een geweldige locatie voor het verkrijgen van nuttige informatie met betrekking tot een aantal metabole ziekten. Huidig onderzoek van het maagdarmkanaal of analyse van bepaalde biomarkers gebeurt meestal via fecale bemonstering of endoscopische analyse, die omslachtig zijn en niet met regelmatige tussenpozen kunnen worden gedaan. Onlangs zijn er een aantal slimme elektronische pillen of implantaten verschenen om deze problemen aan te pakken. De overgrote meerderheid van deze technieken richten zich echter op beeldvorming, hetzij visueel met (RGB) camera's of met echografie die, hoewel zeer nuttig, beperkt blijven tot het detecteren van structurele afwijkingen zoals kanker of zweren. Functionele GI-ziekten vertonen echter geen visueel waarneembare structurele afwijkingen. Daarom is er behoefte aan een klasse apparaten die andere relevante biomarkers zoals GI pH, temperatuur, oxygenatie, weefselimpedantie en de aanwezigheid van verschillende neurotransmitters en hormonen langs het volledige maagdarmkanaal op een autonome manier kunnen detecteren. Het GI-kanaal is vooral interessant, omdat het aanzienlijk minder strenge eisen op het gebied van bio-compatibiliteit heeft dan typische implantaten. Daarom kunnen dergelijke apparaten worden opgevat als een inneembare pil of een slim elektronisch implantaat dat klein genoeg is om te worden geïmplanteerd via minimaal invasieve (endoscopische) procedures. De uitdagingen zijn echter groot. Natuurlijk moeten dergelijke apparaten grote gevoeligheid en betrouwbaarheid bieden, met extreme kracht- en groottebeperkingen. Recente ontwikkelingen in elektrochemische sensoren (ISFET's, ion-gevoelige membranen, koolstof-nanobuizen, silicium nanodraden, nanoporiën, enz.) Maken het ontwerp van extreem geminiaturiseerde sensoren mogelijk die kunnen worden gekoppeld aan geavanceerde ultra-low-power analoge sensorinterfaces en draadloos koppelingen. Dit doctoraat zal zich richten op de ontwikkeling van elektrochemische sensoruitleescircuits met ultralaag vermogen. Verschillende state-of-the-art sensortypen (ISFET, CNT, ion-gevoelige membranen, nanodraden en nanoporiën, etc.) die relevant zijn voor de hierboven beschreven toepassing zullen worden geanalyseerd voor integratie. Een geschikt uitleescircuit moet worden ontworpen om te communiceren met deze sensoren, om de uitdagingen (ruis, drift, kalibratie, lekkage, enz.) Van niet-idealiteit van de sensoren te overwinnen. Nadat die elektronische uitlezingen zijn gevalideerd, wordt het hele concept met de gekozen sensoren geïntegreerd in een extreem geminiaturiseerd prototype. Het ontwerp wordt vervolgens gevalideerd in een realistische setting.