CMOS Integrated Impedance Sensor Arrays for Cell Adhesion Measurement

This thesis presents a CMOS integrated sensor for impedance measurements with cultured cells. A model of the impedance under study, comprising contributions of the electrode, the electrolyte, and the cells, was developed using a combination of analytical and numerical techniques. Based on the model, boundary conditions were derived and a suitable conversion principle was chosen and implemented. The sensor was produced in a 0.35 micron standard CMOS technology with additional process steps for manufacturing gold electrodes. The chip features 64 positions for sensing the cellular impedance, which are addressed and read out by an integrated circuit. The performance of the sensor was verified experimentally. Cell adhesion and death could be detected reliably, and different levels of local cell coverage could be resolved. Due to the localized measurement, fluctuations of the impedance caused by movements of the cells could also be resolved.

Die Arbeit stellt einen CMOS-integrierten Sensor zur Impedanzmessung an Zellkulturen vor. Mit Hilfe von analytischen und numerischen Ansätzen wurde ein Modell der zu messenden Impedanz entwickelt, das Beiträge von Elektrode, Elektrolyt und Zellen umfasst. Basierend darauf wurden Randbedingungen festgelegt sowie ein geeignetes Wandlerprinzip gewählt und implementiert. Der Sensorchip wurde in einer 0,35 µm CMOS-Technologie mit Backend-Prozessschritten zur Herstellung von Goldelektroden gefertigt. Seine 64 Positionen zur Messung der Zell-Impedanz werden durch eine integrierte Schaltung ausgelesen. Die Leistungsfähigkeit des Sensors wurde experimentell bestätigt: Adhäsion und Absterben von Zellen konnten nachgewiesen werden, unterschiedliche Grade der Zellbedeckung wurden ortsaufgelöst erfasst. Mittels der ortsaufgelösten Messung konnten auch durch Bewegungen der Zellen entstehende Fluktuationen der Impedanz sichtbar gemacht werden.