Biosensa inayonyumbulika inayoendana na CMOS ni mfumo wa hisi unaovaliwa unaotumia uso nyumbufu wa kuhisi unaoweza kuendana na mwili pamoja na elektroniki za complementary metal-oxide-semiconductor (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor, CMOS) zinazoongeza nguvu ya ishara dhaifu ya sensa, kuichuja, kuibadilisha kuwa dijitali, kuichakata na, inapohitajika, kuiwasilisha bila waya. Mapitio haya yanachunguza kwa pamoja sifa za polyethilini terephthalate (PET), polyimide (PI), polydimethylsiloxane (PDMS) na polima nyingine laini kama vibebea vya sensa; sensa za elektrokemia, kapasitansi, upinzani, piezoelectric na fiziolojia; sehemu za mbele za analogi (Analog Front-End, AFE), vigeuzi analogi-hadi-dijitali (ADC), mawasiliano yasiyotumia waya, usimamizi wa nishati na uunganishaji katika kiwango cha mfumo.

Ujumbe mkuu wa utafiti ni kwamba biosensa inayovaliwa yenye mafanikio haiwezi kutengenezwa kwa “nyenzo nzuri ya sensa” pekee au kwa “saketi nzuri ya CMOS” pekee. Sifa za kimekanika na za joto za substrate nyumbufu; impedansi ya umeme ya elektrodi na sensa; kelele ya ingizo na masafa badilifu ya AFE; uwezo wa kutofautisha na kasi ya usampulishaji ya ADC; bajeti ya nishati ya mawasiliano yasiyotumia waya; na uimara wa ufungashaji dhidi ya jasho, unyevunyevu na kupinda mara kwa mara vinapaswa kubuniwa kwa pamoja ndani ya mfumo mmoja.

Mapitio hayabadilishi takwimu za utendaji za madaraja tofauti ya sensa kuwa kipimo kimoja cha pamoja cha mafanikio. Unyeti wa mV/dec katika sensa ya sodiamu, uwezo wa kutofautisha wa Pa katika sensa ya shinikizo, kelele ya kiwango cha µV katika sehemu ya mbele ya ECG na usahihi wa uainishaji katika mfumo wa gait haviwezi kutumiwa badala ya kimoja na kingine. Waandishi wanasisitiza kwamba ulinganisho unapaswa kufanywa pamoja na kigezo cha kimwili au kibaokemia kinachopimwa na sensa, mazingira ya uthibitishaji, urekebishaji, drift, ukandamizaji wa usumbufu, idadi ya mizunguko ya kimekanika na kina cha majaribio kwenye mwili halisi.

Hitimisho jingine muhimu la mapitio ni kwamba katika majukwaa mengi ya polima, “uoanifu wa CMOS” haumaanishi kutengeneza transistor za CMOS moja kwa moja juu ya polima. Joto la juu la utengenezaji wa kawaida wa CMOS huzidi mipaka ya uchakataji ya polima nyingi. Kwa hiyo, mbinu iliyoenea ni kutengeneza sensa na miunganisho nyumbufu kwenye polima kwa joto la chini, kutengeneza CMOS die kando kwa mchakato wa kawaida wa silikoni, kisha kuunganisha mifumo hiyo miwili kwa mbinu za uunganishaji wa mseto kama flip-chip, wire bonding, bodi ya mzunguko nyumbufu, gundi inayopitisha umeme au transfer printing.

Chanzo pia kinaonyesha kwa msisitizo kwamba unyeti mkubwa wa kiwango cha maabara peke yake haumaanishi utayari wa kliniki au wa kibiashara. Uimara wa muda mrefu wa kimekanika, uoanifu wa kibiolojia, uadilifu wa kifungashio, athari za jasho na unyevunyevu, drift ya urekebishaji, usalama wa data, uwezo wa kurudia utengenezaji, upotevu wa pakiti katika mawasiliano yasiyotumia waya na ulinganisho na rejea ya kliniki bado ni vizuizi vikuu vya uhamishaji.

Wigo wa mapitio

Lengo la utafiti ni kuunganisha maeneo matatu ya utafiti katika mtazamo mmoja wa mfumo:

• teknolojia za sensa nyumbufu na zinazotegemea polima,
• saketi jumuishi za CMOS kwa upataji na uchakataji wa ishara,
• miundo ya mifumo inayovaliwa na system-on-chip (SoC).

Mapitio yanachunguza mifano ya uhisi wa elektrokemia, kapasitansi, upinzani, piezoelectric, fiziolojia na mazingira. Usanisi wa nanomateriali si mada kuu ya utafiti. Laser-induced graphene (LIG) inazingatiwa kwa kiwango kidogo katika hali ambapo hutengenezwa kwa ubadilishaji wa moja kwa moja wa polima iliyopo kwa laser badala ya mchakato tofauti wa kukuza nanomateriali. Biosensa za fluorescence ya macho na spectroscopy ziko nje ya wigo mkuu wa mapitio; msisitizo ni sensa zinazobadilisha hali kuwa ishara za umeme na miingiliano ya CMOS.

Biosensa Inayonyumbulika Inayoendana na CMOS Inamaanisha Nini?

Katika mapitio haya, usemi “inayoendana na CMOS” mara nyingi haumaanishi kutengeneza saketi ya CMOS moja kwa moja juu ya polima; badala yake unamaanisha kwamba chipu ya kawaida ya silicon CMOS inaweza kuunganishwa kwa kuaminika na sensa nyumbufu kupitia uunganishaji wa mseto, ufungashaji, transfer printing, saketi nyumbufu au michakato ya joto la chini baada ya utengenezaji wa CMOS.

Kwa nini sensa nyumbufu peke yake haitoshi?

Pato la umeme la biosensa mara nyingi halifai kwa uchakataji wa moja kwa moja wa dijitali. Ishara za fiziolojia zinaweza kuwa katika kiwango cha microvolt–millivolt; katika sensa za elektrokemia, mikondo ya kiwango cha picoamper inaweza kupimwa. Ishara hizi ndogo huathiriwa na usumbufu wa sumakuumeme wa mazingira, artefakti za mwendo, ofseti ya elektrodi, drift ya mstari wa msingi na kelele za kielektroniki.

Kazi ya elektroniki za CMOS si kuchukua nafasi ya kazi ya kimwili au ya kikemia ya sensa, bali kubadilisha ishara ya umeme inayozalishwa kuwa taarifa ya kuaminika. Mnyororo huu kwa kawaida unajumuisha hatua za sensa → sehemu ya mbele ya analogi → ADC → udhibiti/uchakataji wa dijitali → mawasiliano yasiyotumia waya. Usimamizi wa nishati ni tabaka la mfumo linalokatiza mlalo na kulisha mnyororo wote.

Kwa nini substrate ya polima si kibebea cha kimekanika tu?

Uchaguzi wa polima hauamui tu kiwango ambacho sensa inaweza kupinda. Moduli ya elastiki ya substrate, mgawo wa upanuzi wa joto, halijoto ya mpito wa kioo, ukwaruzo wa uso, ustahimilivu kwa viyeyusho, upenyezaji wa unyevunyevu, sifa za dielectrik na uoanifu na metallization vinaweza kuathiri moja kwa moja utengenezaji wa sensa, upangaji wa mistari myembamba, uunganishaji wa chipu ya CMOS na uaminifu wa kifungashio.

Halijoto katika jedwali si halijoto za kuvunjika kwa polima, bali ni hali za kawaida za mchakato zilizotolewa katika mapitio. Halijoto halisi inayoruhusiwa inaweza kubadilika kulingana na daraja la nyenzo, viungio, unene wa filamu na mchakato wa utengenezaji.

Ni Polima Gani “Bora Zaidi” kama Substrate ya Biosensa Nyumbufu?

Mapitio hayatambui substrate moja kuwa bora zaidi: PET na PEN hujitokeza kwa gharama ndogo na utengenezaji wa eneo kubwa, PI kwa bajeti ya juu zaidi ya joto na miunganisho minene ya nyumbufu, PDMS na Ecoflex kwa deformation kubwa, TPU kwa miundo thabiti inayovaliwa, na Parylene-C kwa insulation ya umeme ya conformal na kapsulesheni; uchaguzi unapaswa kufanywa kulingana na mahitaji ya stack nzima ya sensa–muunganisho–CMOS–ufungashaji.

PET

Polyethilini terephthalate ni substrate ya gharama ndogo, yenye uwazi na inayopatikana kwa urahisi kama filamu ya eneo kubwa. Inafaa kwa michakato ya Inkjet na roll-to-roll. Kizuizi chake kikuu ni bajeti yake ya joto iliyo chini kwa kulinganisha. Kwa hiyo inafaa zaidi kwa kondakta zilizochapishwa, tabaka za sensa za joto la chini na uunganishaji mseto wa CMOS die iliyotengenezwa kando kuliko kwa utengenezaji wa semiconductor wa joto la juu.

PI

Polyimide hustahimili joto la juu zaidi na uchakataji wa kemikali, hivyo hutoa faida katika PCB nyumbufu, tabaka za redistribution, miundo ya chip-scale interposer na mifumo inayobeba CMOS die iliyopunguzwa unene. Gharama yake ni ugumu mkubwa zaidi ikilinganishwa na elastoma kama PDMS, mwelekeo wa kufyonza unyevunyevu na uwazi mdogo katika PI ya kawaida yenye rangi ya kaharabu.

PDMS na Ecoflex

PDMS na Ecoflex zina nguvu katika miundo inayooana na ngozi na inayonyooshwa kutokana na moduli zao ndogo za elastiki. Hata hivyo, substrate laini sana zinaweza kuwa ngumu zaidi kwa upangaji wa usahihi, metallization ya moja kwa moja na chip attachment. Nishati ndogo ya uso ya PDMS inaweza kufanya mshikamano kuwa mgumu; kuvimba kwa kiyeyusho na upenyezaji wa gesi/mvuke wa maji unaweza kuathiri uthabiti wa muda mrefu. Rigid CMOS die mara nyingi hulindwa kwa kisiwa cha kimekanika au muundo wa strain-isolation.

TPU, PEN na Parylene-C

TPU ni muhimu katika nyaya zinazovaliwa, nguo na laminations za kinga kwa sababu ya ustahimilivu wake wa uchakavu na uimara wa kimekanika. PEN hutoa uthabiti wa juu zaidi wa joto na vipimo kuliko PET huku ikidumisha uwazi wake. Parylene-C ni muhimu katika kulinda sensa, interconnect na vipengele vya CMOS dhidi ya mazingira kwa sababu inaweza kuunda filamu nyembamba ya conformal insulation kupitia chemical vapor deposition karibu na halijoto ya chumba.

Sensa nyumbufu hutengenezwa vipi?

Thamani hizi ni mielekeo ya jumla ya mchakato. Muundo wa wino, substrate, mbinu ya curing, maandalizi ya uso na usanifu wa kifaa vinaweza kubadilisha uwezo halisi wa kutofautisha na mipaka ya halijoto.

Nguvu na udhaifu wa uchapishaji wa Inkjet

Uchapishaji wa Inkjet hauna maski na ni wa dijitali; mabadiliko ya muundo yanaweza kufanywa haraka. Hata hivyo, ujazo wa tone, rheology ya wino, nishati ya uso na nafasi kati ya matone huathiri ukubwa wa vipengele. Wino wa nanoparticle zinazopitisha umeme mara nyingi huhitaji sintering ya joto, photonic au kemikali; bajeti ya joto ya polima huweka kikomo kwa hatua hii.

Kwa nini screen printing inafaa kwa eneo kubwa?

Screen printing inaweza kuchapisha tabaka nene za kondakta au sensa kwa kasi kubwa ya utengenezaji. Kwa upande mwingine, ukubwa mkubwa zaidi wa vipengele, hitilafu ya upangaji wa tabaka, ukwaruzo wa uso na mabadiliko ya unene wa chapa ni vikwazo kwa miunganisho ya moja kwa moja ya CMOS pad yenye nafasi ndogo.

Aerosol jet na transfer printing

Aerosol jet inaweza kutengeneza mistari myembamba zaidi ya kondakta kwenye nyuso tambarare au zilizopinda kwa kutumia mtiririko wa aerosol ulioelekezwa. Transfer printing huwezesha vifaa vyembamba vya silicon vilivyotengenezwa kwenye wafer tofauti kuhamishwa hadi kipokezi cha polima kupitia elastomer stamp. Matatizo makuu ya transfer printing ni release yield, usahihi wa uwekaji, mshikamano, muunganisho wa umeme na uimara chini ya deformation ya kurudiwa.

Kwa nini roll-to-roll haitoshi peke yake katika uunganishaji wa CMOS?

Roll-to-roll hutoa faida ya ujazo mkubwa katika utengenezaji wa filamu za sensa; lakini uwekaji sahihi wa CMOS die moja moja, upangaji wa pad ndogo, deformation ya web na ufungashaji vinaweza kukatiza mtiririko endelevu wa uzalishaji. Kwa hiyo, katika mifumo ya vitendo, utengenezaji wa sensa wa roll-to-roll unaweza baadaye kukamilishwa kwa sheet-based au pick-and-place chip assembly.

Mifumo ya utendaji ya biosensa za kielektriki

Mapitio haya hayakusanyi sensa zote chini ya utaratibu mmoja wa kifizikia. Vipimo tofauti vya kibayolojia au kimitambo vinahitaji mifumo tofauti ya ubadilishaji wa ishara.

Sensa ya kipotensiometri

Sensa ya kipotensiometri hupima tofauti ya potenshali ya usawa kati ya elektrodi ya kufanya kazi inayochagua ioni na elektrodi rejea iliyo thabiti katika hali ya mkondo unaoweza kupuuzwa. Chanzo kinaeleza kuwa uhusiano huu hufuata tabia ya Nernst na unahusiana na logariti ya mkusanyiko wa ioni lengwa.

Katika mfano wa sensa ya ioni ya sodiamu katika mapitio haya, transducer ya nanokompoziti ya Au/CNT/Au iliripoti unyeti wa karibu na Nernst wa 55,5 ± 0,3 mV/decade na mabadiliko chini ya %3 wakati wa mwendo endelevu wa mwili.

Katika mfano mwingine, mfumo wa pH unaomezwa unaotumia 180 nm CMOS uliunganisha chopper-stabilized AFE, ADC ya msingi wa muda, MICS-band RF transmitter na usimamizi wa nishati kwenye saketi nyumbufu ya PI.

Sensa ya amperometri

Katika upimaji wa amperometri, potenshali ya elektrodi huwekwa thabiti na mkondo unaotokana na mmenyuko wa oksidishaji au upunguzaji wa analyte hupimwa. Kwa kuwa mkondo hutegemea kasi ya mmenyuko, mbinu hii hutumika sana katika biosensa za kienzimu kama za glukosi na lactate.

Jukwaa la ufuatiliaji wa jeraha la CS–GO lililochunguzwa katika chanzo lilipima glukosi katika masafa ya 1 µM–20 mM. Bidirectional potentiostat katika mfano wa CMOS unaomezwa iliripoti masafa ya mkondo ya takriban ±29 µA, mkondo wa chini kabisa unaoweza kutambuliwa wa 150 pA na matumizi ya takriban 1 µW.

Sensa ya voltametri

Katika voltametri, potenshali ya elektrodi hufagiliwa kwa umbo la wimbi lililowekwa awali na mkondo unaotokea hurekodiwa. Hivyo, si ukubwa wa mkondo pekee bali pia potenshali za vilele vya oksidishaji na upunguzaji zinaweza kuchunguzwa. Mbinu hii inaweza kusaidia kuchanganua kinetiki ya mmenyuko na kutenganisha analyte nyingi.

Sensa ya impedansi

Electrochemical impedance spectroscopy hupima impedansi changamano katika masafa fulani ya masafa badala ya mkondo au voltage moja ya DC. Mabadiliko katika vipengele vya resistive na capacitive yanaweza kutoa taarifa kuhusu kushikamana kwa seli, ukuaji wa tishu, kuharibika kwa elektrodi na hali ya kiolesura.

Mapitio yanatoa mfano ambapo safu ya interdigitated platinum electrodes iliyofungashwa kwa flip-chip-on-flex ilitambua ukuaji wa seli laini za misuli katika synthetic vascular grafts kupitia mabadiliko ya impedansi.

Sensa za kimitambo

Sensa za kimitambo hubadilisha nguvu ya nje, shinikizo, strain au deformation kuwa mabadiliko ya kielektriki. Mapitio yanazijadili hasa chini ya makundi ya capacitive, resistive/piezoresistive na piezoelectric.

Sensa ya kapasitansi

Katika sensa za kapasitansi, shinikizo au deformation hubadilisha nafasi kati ya elektrodi, eneo linalopishana au sifa za dielectric. Kwa kuwa mabadiliko ya kapasitansi yanaweza kuwa katika kiwango cha femtofarad, saketi maalumu za usomaji wa CMOS kama switched-capacitor au capacitance-to-voltage converter zinahitajika.

Katika mifano ya chanzo, kwa 5 × 5 flexible tactile array iliripotiwa unyeti wa wastani wa 1,57 mV/mmHg; katika mfumo wa 8 × 8 tactile/proximity, unyeti wa mguso wa 2,2 MPa⁻¹, uwezo wa kutofautisha shinikizo wa takriban 255 Pa na umbali wa proximity wa takriban 15 mm uliripotiwa.

Sensa ya resistive na piezoresistive

Katika sensa za resistive, deformation hubadilisha njia za conductive, contact resistance au resistivity ya nyenzo. Saketi za usomaji zinaweza kuwa rahisi zaidi kuliko miundo ya capacitive; hata hivyo, baseline drift, utegemezi wa halijoto na cycle-to-cycle variation vinaweza kuwa matatizo muhimu zaidi.

Katika mapitio haya, mfumo wa gait uliounganisha 64 × 64 flexible piezoresistive pressure array na near-sensor CMOS AI chip ulifikia usahihi wa utambuzi wa gait wa %92 1,45 mW kwa matumizi ya nishati. Thamani hii ni ya kazi ya utambuzi wa gait; haiwezi kuwekwa kwenye kipimo kilekile cha utendaji na unyeti au uwezo wa kutofautisha wa biosensa nyingine.

Sensa ya piezoelectric

Miundo ya piezoelectric inaweza kuzalisha ishara ya kielektriki chini ya uchochezi wa kimitambo unaobadilika na inaweza kuwa na faida katika kupima mtetemo au shinikizo linalobadilika bila kuhitaji DC bias endelevu. Hata hivyo, upimaji endelevu wa mzigo tuli ni kizuizi cha asili cha utaratibu wa piezoelectric. Mapitio yanatoa mifano ya tafiti za flexible piezoelectric arrays zenye saketi za usomaji za CMOS zilizofikia uwezo wa kutofautisha shinikizo wa 5 Pa.

Sensa za kifiziolojia

Ishara za kifiziolojia kama ECG, EMG na EEG hupima shughuli dhaifu za kielektriki za mwili wenyewe, si kichocheo kinachowekwa kutoka nje. Chanzo kinaeleza kuwa ishara hizi kwa kawaida zinaweza kuanzia microvolt chache hadi millivolt chache na bandwidth zake kwa ujumla huwa chini ya hertz mia kadhaa.

Kwa hiyo, kwa AFE ya kifiziolojia, input impedance ya juu, input-referred noise ya chini, common-mode rejection ya juu na matumizi ya nishati ya chini ni mahitaji ya msingi.

Kwa nini kiolesura cha ngozi–elektrodi ni muhimu?

Geli conductive ya elektrodi za kawaida za Ag/AgCl zenye unyevunyevu inaweza kukauka baada ya muda; contact impedance inaweza kuongezeka, uthabiti wa ishara unaweza kupungua na matumizi ya muda mrefu yanaweza kusababisha muwasho wa ngozi. Elektrodi kavu nyumbufu na elektrodi capacitive zinalenga kupunguza matatizo haya; hata hivyo, nywele, jasho, shinikizo na mabadiliko ya uwekaji yanaendelea kuathiri contact impedance.

Katika mmoja wa mifano ya chanzo, elektrodi kavu ya MWCNT/PDMS na 130 nm CMOS AFE zilitumiwa pamoja; amplifier ilitumia 1,5 µW huku ikiripoti mid-band gain zaidi ya 43 dB, 2,81 µV_rms input-referred noise na 35,7–38,6 dB SNR.

Mfano wa CardioLeads uliunganisha multi-channel low-noise ECG AFE, 10-bit SAR ADC, udhibiti wa dijitali, usimamizi wa nishati na mawasiliano yasiyotumia waya ndani ya 130 nm CMOS SoC, na kuonyesha mfumo unaopata 11-lead ECG kwa matumizi ya nishati ya chini ya 1 mW.

Sensa za kimazingira

Vigezo vya mazingira kama halijoto, unyevunyevu, mwanga na wetness huenda visiwe biomarkers za ugonjwa moja kwa moja; hata hivyo, hutoa taarifa za muktadha kwa ajili ya kutafsiri ishara za kifiziolojia na kufuatilia uaminifu wa sensa.

Chanzo kinaeleza kuwa mmoja wa mifumo ya halijoto inayovaliwa uliweza kutambua hitilafu za halijoto chini ya 0,4 °C kwa kipindi cha wiki kadhaa; katika jukwaa jingine la CMOS linalotegemea PI, kwa upimaji wa halijoto/unyevunyevu ziliripotiwa thamani za utendaji za 0,4 °C na 1,71 pF/%RH pamoja na matumizi ya 2,8 mW.

Katika mfano wa sensa ya wetness inayotegemea organic transistor, resistive sensing na 13,56 MHz passive wireless communication zilitumiwa pamoja.

Kwa nini biosensa tofauti haziwezi kupangwa katika orodha moja ya “Sensa Bora Zaidi”?

Sensa za electrochemical hutathminiwa kwa calibration range, limit of detection, selectivity na reference-electrode drift; sensa za kimitambo kwa force range, hysteresis, spatial resolution na cycle life; na sensa za kifiziolojia kwa input noise, common-mode rejection, motion tolerance, idadi ya washiriki na ulinganifu na rejea ya kliniki. Kwa kuwa maana za kifizikia za vipimo hivi ni tofauti, orodha moja ya nambari inaweza kupotosha kisayansi.

Thamani za utendaji katika jedwali zinawakilisha vipimo tofauti na haziwezi kupangwa moja kwa moja dhidi ya nyingine.

Analog Front-End hufanya nini?

Sehemu ya mbele ya analogi ni tabaka la kwanza la kielektroniki kati ya sensa na ADC. Kazi yake ni kukuza ishara dhaifu ya sensa, kuhakikisha ulinganifu wa impedansi ya kielektriki na sensa, kukandamiza kelele na mwingiliano, na kuandaa ishara katika masafa ya amplitude yanayoweza kutumiwa na ADC.

Mapitio yanasisitiza aina tatu kuu za amplifier: instrumentation amplifier (IA), programmable gain amplifier (PGA) na transimpedance amplifier (TIA).

Gain ya Instrumentation Amplifier

Katika mchoro wa AFE wa chanzo, uhusiano wa gain uliotolewa kwa symmetric instrumentation amplifier ni:

\[ A_v = 1+\frac{2R_2}{R_{gain}} \]

Hapa \(A_v\) ni voltage gain isiyo na kipimo. \(R_2\) na \(R_{gain}\) ni resistances na zinapaswa kutumiwa katika kitengo kilekile cha resistance. Kadiri \(R_{gain}\) inavyopungua, uwiano katika usemi bora huongezeka na gain huongezeka.

Instrumentation amplifier hutumiwa hasa kutoa input impedance ya juu na common-mode rejection ya juu katika ishara za differential voltage kama ECG, EMG na EEG.

Gain ya Programmable Gain Amplifier

Katika mchoro wa PGA wa chanzo:

\[ G = 1+\frac{R_F}{R_G} \]

uhusiano huu umetolewa.

\(R_F\) ni feedback resistance, huku \(R_G\) ikiwa resistance inayoweka gain. Uwiano wa resistances unapobadilishwa, amplitude ya ishara itakayotumwa kwa ADC inaweza kurekebishwa kulingana na sensa tofauti au hali tofauti za mgonjwa.

Chanzo kinaonyesha switched-resistor network, binary-weighted resistor array na miundo ya variable resistance inayotegemea MOSFET/OTA kama miongoni mwa utekelezaji unaowezekana wa programmable gain.

Kwa nini Transimpedance Amplifier hutumiwa katika sensa za mkondo?

TIA hubadilisha input current kuwa output voltage. Katika mchoro wa chanzo, uhusiano bora ni:

\[ V_{OUT}=-I_{in}R_F \]

kama ilivyoonyeshwa.

Wakati \(I_{in}\) iko katika ampere na \(R_F\) iko katika ohm, \(V_{OUT}\) hupatikana katika volt. Alama hasi inaonyesha inverting op-amp connection.

Ikiwa capacitance \(C_F\) inaongezwa sambamba na feedback resistance, chanzo kinaonyesha bandwidth ya takriban kama:

\[ f_{-3dB}=\frac{1}{2\pi R_F C_F} \]

.

Kadiri time constant ya \(R_FC_F\) inavyoongezeka, cutoff frequency hupungua. Feedback capacitance inaweza kuboresha uthabiti; gharama yake ni kupungua kwa bandwidth inayoweza kutumiwa.

Ni matatizo gani yanatatuliwa katika signal conditioning?

• DC offset: Potenshali za elektrodi zinaweza kupeleka amplifier yenye gain ya juu katika saturation.
• Baseline drift: Electrode polarization, sensor drift na mwendo vinaweza kusababisha mkengeuko wa masafa ya chini.
• Kelele ya masafa ya juu: Inaweza kukandamizwa kwa low-pass filter.
• Mwingiliano wa mains: Katika mifumo ya kifiziolojia, notch filter ya 50 au 60 Hz inaweza kutumiwa.
• 1/f noise: Mbinu za chopper stabilization na auto-zero zinaweza kutumiwa.
• Motion artifact: Differential acquisition, uboreshaji wa mechanical contact na adaptive digital filtering vinaweza kuhitajika.
• Long-term drift: Auto-calibration, reference channel, temperature compensation na adaptive baseline estimation vinaweza kutumiwa.

Inapaswa pia kukumbukwa kuwa mbinu za chopper na auto-zero hazitoi faida bila gharama. Switching ripple, clock feedthrough na hitaji la filtering ya ziada vinaweza kutokea.

Kwa nini ADC inapaswa kuchaguliwa kulingana na aina ya sensa?

Uainishaji katika jedwali ni mielekeo ya jumla ya muundo; utendaji halisi wa ADC hutegemea CMOS technology node, sampling frequency na circuit optimization.

SAR ADC

Successive Approximation Register (SAR) ADC hufanya binary search kwa kutumia comparator na, kwa kawaida, capacitive DAC. Kwa kuwa comparison moja hufanywa kwa kila bit, hutoa uwiano unaofaa kwa mifumo inayovaliwa kati ya nishati, resolution na kasi.

Chanzo kinaeleza kuwa katika SAR ADC za kisasa kwa kawaida huonekana resolution ya 8–12 bit na sampling rates zinazotegemea matumizi, kuanzia sample mia chache kwa sekunde hadi megasample kadhaa kwa sekunde.

Sigma–Delta ADC

Sigma–delta converter hutumia oversampling ya kiwango cha juu na noise shaping. Inaweza kupata effective resolution ya juu zaidi; hata hivyo, decimation filtering, latency na ugumu wa dijitali vinaweza kuongezeka. Ina faida katika matumizi ya electrochemical/biopotential yenye bandwidth ndogo yanayopima mabadiliko madogo sana.

Flash ADC

Idadi bora ya parallel comparators katika N-bit flash ADC:

\[ N_{comp}=2^N-1 \]

huongezeka kulingana na uhusiano huu. Kwa mfano, ongezeko la mstari la idadi ya bit huongeza idadi ya comparators kwa kasi ya exponential; kwa hiyo, ingawa flash ADC ni ya kasi sana, matumizi ya eneo na nishati kwa kawaida ni hasara kwa biosensa zinazovaliwa.

Mlinganyo huu ni uhusiano wa jumla wa usanifu uliotolewa katika mapitio ili kueleza kwa nini flash architecture ni ghali kwa upande wa hardware; si matokeo mapya ya majaribio.

Kwa nini idadi kubwa ya bit za ADC pekee haitoshi?

Hoja muhimu inayosisitizwa na chanzo ni kwamba ikiwa sensor noise, mechanical hysteresis, electrode motion au calibration error vinatawala signal chain, idadi kubwa ya nominal ADC bits haihakikishi taarifa ya kibayolojia yenye manufaa. ENOB, bandwidth, reference stability na noise ya AFE iliyotangulia lazima zitathminiwe pamoja.

Mawasiliano yasiyotumia waya

Mapitio yanaeleza kuwa teknolojia tofauti za wireless zina majukumu tofauti katika biosensa zinazovaliwa:

• BLE: muunganisho wa kawaida wa vifaa vinavyovaliwa kutokana na matumizi madogo ya nishati, data rate ya wastani na uoanifu mpana na consumer electronics;
• NFC: mifumo ya sensa ya masafa mafupi na isiyo na betri/passive;
• RFID: passive identification na sensa za matumizi ya mara moja;
• Zigbee: mitandao ya medical sensor ya mesh yenye matumizi madogo ya nishati;
• UWB: matumizi mapya yanayohitaji data rate ya juu na positioning sahihi.

Uchaguzi wa protocol unapaswa kufanywa kulingana na distance, data rate, latency na energy budget.

Usimamizi wa nishati

Low-dropout regulator (LDO) hutoa usambazaji wenye kelele ndogo kwa analog blocks nyeti. Switching DC–DC converter inalenga kuongeza ufanisi wa nishati wakati wa kuongeza au kupunguza voltage ya betri. Battery-management circuits zinaweza kusimamia charging, protection na state-of-charge monitoring.

Mapitio pia yanajadili kuwa mbinu za energy harvesting kama photovoltaic cell, thermoelectric generator, piezoelectric harvesting na RF wireless power transfer zinaweza kutumiwa kusaidia betri.

Hitimisho muhimu la kiwango cha mfumo hapa ni kwamba hata ikiwa AFE na ADC zinatumia nishati kidogo sana, wireless transmitter na power management zinaweza kutawala energy budget ya jumla. Kwa hiyo, kipimo halisi cha mfumo si tu “AFE ni µW ngapi?”; kinapaswa kujumuisha energy per validated measurement, battery life, radio duty cycle na packet-loss behavior.

Kwa nini Edge AI inazingatiwa?

Kutuma raw sensor data mfululizo kwenye cloud hutumia nishati ya wireless na bandwidth. Matumizi ya local MCU, DSP au AI accelerator yanaweza kupunguza kiasi cha data kinachotumwa kwa kufanya feature extraction, motion recognition, arrhythmia detection au anomaly detection kwenye kifaa.

Mapitio hayawasilishi hili kama suluhisho moja lililothibitishwa kwa mifumo yote iliyokamilika. Katika vifaa vinavyovaliwa vinavyotumia betri, AI model lazima ilingane na mipaka ya memory, computation na energy; kwa hiyo mbinu kama model compression, quantization na hardware-aware neural-network design huwa muhimu.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mbinu ya utafiti huu si jaribio, bali ni usanisi wa fasihi

Chanzo ni makala ya Review. Nyenzo za polima, teknolojia za utengenezaji na integration, mifumo ya sensa, miundo ya CMOS AFE/ADC, minyororo ya wireless/power-management na mifano ya validation ya kiwango cha mfumo imelinganishwa kupitia fasihi.

Chanzo hakitoi PRISMA-like systematic review flowchart, query strings za bibliographic databases zilizotumiwa, kipindi cha tarehe ambacho tafiti zilichunguzwa, au formal inclusion/exclusion counting flow. Kwa hiyo, matokeo yanapaswa kutafsiriwa kama technical and system-level review, si meta-analysis au systematic pooled-effect estimate.

Kiwango cha ushahidi kinatafsiriwaje?

Katika mapitio haya, kulinganisha kwa kutumia nambari za utendaji pekee hakuchukuliwi kuwa kunatosha. Kiwango cha ushahidi huimarika kwa takriban mwelekeo ufuatao:

1. jaribio la component moja au nyenzo,
2. benchtop sensor test,
3. integrated system test yenye CMOS interface,
4. on-body validation,
5. validation ya muda mrefu au ya kulinganisha na clinical reference.

Uainishaji huu haumaanishi kuwa matokeo ya benchtop hayana thamani; unatenganisha ni madai gani yanaungwa mkono na kiwango gani cha majaribio.

Vigezo vya kulinganisha katika sensa za electrochemical

• calibration range,
• limit of detection,
• selectivity,
• repeatability,
• reference-electrode stability,
• drift,
• athari ya interferent,
• current-readout noise,
• storage na on-body duration.

Chanzo kinaeleza kuwa tafiti nyingi zimeripoti benchtop measurements kwa idadi ndogo ya vifaa, jambo linalopunguza uwezo wa kufanya generalization thabiti kuhusu reproducibility kati ya maabara.

Vigezo vya kulinganisha katika sensa za kimitambo

• loading/force range,
• sensitivity,
• hysteresis,
• repeatability,
• spatial resolution,
• idadi ya cycles,
• loading rate.

Jaribio moja la shinikizo la maabara katika hali tuli pekee halionyeshi uimara chini ya jasho, mwendo wa ngozi na matumizi ya siku nyingi.

Vigezo vya kulinganisha katika sensa za kifiziolojia

• input-referred noise,
• common-mode rejection,
• electrode–skin impedance,
• motion tolerance,
• idadi ya washiriki,
• muda wa kurekodi,
• ulinganifu na kifaa cha clinical reference.

Chanzo kinasisitiza hasa kuwa rekodi fupi ya hali tuli kutoka kwa mshiriki mmoja inaweza kuonyesha feasibility; lakini haitoi clinical equivalence.

Chaguo za integration ya sensa nyumbufu–CMOS

Kwa nini ufungashaji bado ni kikwazo muhimu?

Hata kama polima nyumbufu yenyewe inaweza kupinda mara nyingi, sehemu dhaifu zaidi ya mfumo mzima mara nyingi si polima. Metal interconnect, solder joint, wire bond, conductive adhesive na material interfaces zinaweza kushindwa mapema chini ya cyclic mechanical loading.

Zaidi ya hayo, encapsulation lazima itimize majukumu mawili yanayokinzana kwa wakati mmoja: ilinde vipengele vya kielektroniki dhidi ya unyevunyevu na jasho huku ikilinda ngozi ya mtumiaji dhidi ya nyenzo za kielektroniki; na ifanye hivyo bila kufanya kifaa kiwe kinene, kigumu na kisichostarehesha.

Matumizi ya nishati hubadilikaje kadiri mfumo unavyokua?

Kuhama kutoka sensa ya parameter moja hadi mfumo wa multi-modality huongeza AFE channels, ADC, digital processing, wireless na power-management blocks. Kwa hiyo mapitio yanaona duty cycling, adaptive sampling, event-driven sensing na energy-aware wireless communication kuwa muhimu katika system scaling.

Sensa nyingi kushiriki common analog/digital resources kunaweza kutoa manufaa ya eneo, gharama na nishati. Hili linahitaji sensor, CMOS, power management na embedded intelligence layers kubuniwa kwa pamoja.

Tafsiri ya mapitio kuhusu AI na Edge Computing

Edge AI inaweza kusaidia kutoa uamuzi wa ndani badala ya kutuma raw data yote nje. Mbinu hii inaweza kupunguza latency na mzigo wa wireless transmission, na inaweza kuboresha privacy.

Hata hivyo, chanzo hakioni mifumo ya AI inayovaliwa ya baadaye kama vifaa vyenye computational power isiyo na kikomo. Memory capacity na energy budget ni finyu; kwa hiyo quantization, model compression na hardware-aware design ni zana za msingi za muundo.

Kwa nini mfumo mzima unapaswa kupimwa kwa ajili ya standardization?

Mapitio yanatetea kwamba standardization inapaswa kukubali mfumo kamili wa sensa–CMOS–package kama kitu cha kupimwa badala ya sampuli tupu ya polima au circuit block moja.

Rekodi inayoweza kulinganishwa inapaswa angalau, inapofaa, kujumuisha taarifa zifuatazo:

• substrate na encapsulant stack-up,
• electrode/interconnect geometry,
• calibration traceability,
• idadi ya sampuli na inclusion/exclusion criteria,
• environmental conditions na preconditioning,
• asilimia ya vifaa vilivyoshindwa,
• bending radius au strain, direction, speed na cycle count,
• chemical matrix na interferent concentrations,
• katika physiological testing: idadi ya washiriki, placement, activity protocol na clinical comparator,
• AFE bandwidth na input-referred noise,
• ADC ENOB na sampling clock,
• energy per sample,
• radio duty cycle na packet-loss,
• calibration range na drift.

Viwango vinavyohusishwa na uhamisho wa kliniki katika mapitio

Kutajwa kwa viwango hivi katika makala hakumaanishi kuwa prototypes zote zilizochunguzwa katika mapitio zimefaulu viwango hivi vyote. Waandishi wanajadili viwango hivyo kama sehemu za mfumo wa risk na validation unaohitajika kwa mpito kutoka laboratory prototype hadi clinical product.

Matokeo makuu yanayoungwa mkono na utafiti

• Polima nyumbufu ni majukwaa madhubuti ya sensa kwa kutoa mechanical conformity na ngozi au nyuso zilizopinda.
• Sifa za polima zinaweka mipaka ya moja kwa moja kwa manufacturing method na chaguo za CMOS packaging.
• Katika mifumo mingi halisi, polymer sensor na CMOS die huunganishwa kwa heterogeneous integration.
• Sensa za electrochemical, mechanical, physiological na environmental zina mahitaji tofauti ya AFE.
• Uchaguzi wa ADC unapaswa kufanywa pamoja na sensor bandwidth, resolution na mahitaji ya nishati.
• SAR ADC hutoa chaguo lenye uwiano mzuri wa power–speed–resolution katika matumizi mengi yanayovaliwa.
• Wireless na power management zinaweza kuwa na athari sawa au kubwa zaidi kuliko AFE/ADC katika matumizi ya jumla ya nishati ya mfumo.
• Uimara wa packaging na interconnect ni miongoni mwa mipaka mikuu ya matumizi ya muda mrefu.
• Edge AI ina uwezo wa kupunguza communication load, lakini lazima ibuniwe ndani ya mipaka ya computation, memory na energy.
• Uhamisho wa kliniki unahitaji standardized testing, matumizi ya muda mrefu, manufacturing reproducibility na full-system validation.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono

Mapitio haya hayaonyeshi kuwa polima yoyote moja ndiyo nyenzo bora kwa matumizi yote yanayovaliwa.

Unyeti mkubwa katika utafiti mmoja hauwezi kutafsiriwa kuwa matokeo bora kuliko usahihi mkubwa au kelele ndogo katika darasa jingine la sensa.

Si prototypes zote za maabara zilizojumuishwa katika mapitio ni bidhaa zilizothibitishwa kliniki au zilizopewa regulatory approval.

Jaribio fupi la benchtop bending halithibitishi reliability ya matumizi halisi kwa siku au miezi.

Matokeo ya feasibility yaliyopatikana katika kundi dogo la washiriki au rekodi fupi ya on-body hayamaanishi clinical equivalence.

CMOS compatibility haimaanishi kuwa standard CMOS wafer process inaweza kutekelezwa moja kwa moja kwenye kila polima.

Kutarajiwa kwa Edge AI kuwa muhimu baadaye hakumaanishi kuwa sensa zote katika mapitio hutumia AI au kwamba imeonyeshwa kwa uhakika kuwa AI huongeza utendaji wake.

Mapungufu makuu ya mapitio

• Tafiti tofauti hutumia analytes tofauti, loading conditions, bandwidths na validation protocols tofauti.
• Vipimo vingi vya nambari haviwezi ku-normalize moja kwa moja kati ya tafiti.
• Katika tafiti nyingi za sensa, benchtop validation ni ya kawaida zaidi kuliko matumizi halisi ya on-body.
• Data ya long-term mechanical, sweat/moisture na between-user validation ni finyu zaidi kuliko data fupi ya maabara.
• Chanzo hakifanyi formal meta-analysis au pooled statistical effect calculation.
• Chanzo hakiripoti detailed PRISMA-type systematic literature-search protocol.
• Teknolojia za optical biosensor ziko nje ya wigo mkuu.
• Nanomaterial synthesis si mada kuu ya mapitio isipokuwa inapochangia moja kwa moja katika system integration.

Kiini cha kisayansi cha mapitio

Hitimisho muhimu zaidi la kiwango cha mfumo katika utafiti huu ni kwamba biosensa inayovaliwa haiundwi na sensor material, electronic circuit au algorithm pekee. Mfumo wa afya unaoweza kutumiwa unahitaji mechanically conformal sensor, reliable interconnect na packaging, AFE inayofaa, ADC sahihi, digital processing na communication zinazolingana na energy budget, pamoja na long-term validation kufanya kazi kwa pamoja.

Kwa hiyo, katika sensor–CMOS co-design, “unyeti wa juu zaidi”, “idadi kubwa zaidi ya ADC bits” au “nguvu ya chini zaidi ya AFE” si lengo la optimization peke yake. Lengo linalofaa ni mfumo mzima unaohifadhi taarifa inayokusudiwa ya physiological au biochemical katika hali halisi za matumizi kwa usahihi, reliability na energy consumption ya kutosha.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asilia: A Review of CMOS-Compatible Flexible Biosensors Based on Polymer Electronics for Wearable Healthcare

Waandishi: Ava Hedayatipour; Sara Moghtadernejad.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio katika chanzo umehifadhiwa kama ulivyo.

Mchango sawa: Chanzo hakina tamko la co-first authorship au equal contribution.

Mwandishi anayewajibika: Ava Hedayatipour.

Taasisi: Hung Family College of Engineering, California State University, Long Beach, CA 90840, USA.

Jarida: Chips.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Juzuu / toleo / nambari ya makala: 5 / 3 / 30.

DOI: 10.3390/chips5030030.

Tarehe ya kupokelewa: 29 Julai 2026.

Tarehe ya marekebisho: 12 Septemba 2026.

Tarehe ya kukubaliwa: 17 Septemba 2026.

Tarehe ya kuchapishwa: 19 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Review — makala ya mapitio ya kiufundi/kisayansi.

Hali ya peer review: Ni mapitio ya jarida yaliyochapishwa na kupitia peer review.

Hali ya preprint: Chanzo kilichochunguzwa hakitaji rekodi tofauti ya preprint.

Leseni: Creative Commons Attribution — CC BY.

Wigo mkuu: Polymer substrates; flexible sensor manufacturing; heterogeneous CMOS integration; electrochemical, mechanical, physiological na environmental sensing; CMOS AFE; ADC; wireless communication; power management; Edge AI; packaging na clinical translation.

Maelezo ya mbinu ya mapitio: Chanzo kinasanisi madarasa tofauti ya teknolojia kwa kutumia mifano ya fasihi na system comparisons. Hakiripoti PRISMA-type formal systematic-search flow, search string, orodha ya databases au pooled meta-analysis method.

Ufadhili: National Science Foundation Grant No. 2431589.

Upatikanaji wa data: Waandishi wanaeleza kuwa raw data inayounga mkono matokeo ya makala itatolewa kwa ombi.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kutokuwa na conflict of interest.

Michango ya waandishi: Conceptualization na methodology: Ava Hedayatipour. Validation na formal analysis: Sara Moghtadernejad. Investigation na first draft: waandishi wote wawili. Review/editing: waandishi wote wawili. Visualization, supervision na project management: Ava Hedayatipour.

Tamko la matumizi ya akili bandia: Waandishi wameeleza kuwa katika utayarishaji wa makala walitumia OpenAI Codex kwa language editing, narrative consistency na kuunda sehemu zilizochaguliwa za baadhi ya figures; walikagua na kuhariri outputs zote wenyewe na wanawajibika kwa publication content.

Kikomo kikuu cha tafsiri: Thamani za utendaji wa nambari zilizoripotiwa katika mapitio zinatoka katika tafiti, sensa, analytes, validation na experimental conditions tofauti. Vipimo vya sensa tofauti katika jedwali havipaswi kupangwa moja kwa moja kama common success score.

Kikomo cha tafsiri ya kliniki: Benchtop, short on-body au small-sample validation si ushahidi wa long-term clinical use au clinical equivalence. Chanzo kinasisitiza hitaji la standardization, clinical studies za kutosha, manufacturing reproducibility na full-system validation kwa ajili ya clinical translation.