Das Projekt “chtzeit-Zellkulturüberwachung” lief vom 1. Juli 2020 bis zum 31. Dezember 2023 unter dem IGF-Vorhaben 21174BR und wurde von der Forschungsvereinigung DECHEMA koordiniert. Die technischen Arbeiten wurden gemeinsam vom Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) in Heilbad Heiligenstadt und dem IMMS Institut für Mikroelektronik und Mechatroniksysteme GmbH in Ilmenau durchgeführt. Der Entwurf, die Herstellung und das Testen eines Single-Chip-Impedanzanalysators waren die Hauptaufgaben, während X-FAB die Maskenherstellung und die Waferproduktion übernahm.

Der Chip implementiert das Prinzip der Relaxationsspektroskopie im Zeitbereich und ermöglicht Messungen der elektrischen Eigenschaften bis zu 2 MHz. Die untere Frequenzgrenze wird nur durch das programmierbare Abtastschema festgelegt, und das Gerät kann einen Impedanzbereich von 10 Ω bis 1 MΩ abdecken. Ein einfacher Stützkondensator reicht für einen stabilen Betrieb aus, und der Chip kommuniziert über eine I²C-Schnittstelle direkt mit einem Host-Computer. Das analoge Front-End unterstützt sowohl die potentiostatische als auch die galvanostatische Anregung und ermöglicht Konfigurationen mit zwei, drei und vier Elektroden. Für den Drei-Elektroden-Modus ist eine Nullstrom-Potential-Kompensation eingebaut, und für die Vier-Elektroden-Anordnung, die für die Zellsuspensionsüberwachung erforderlich ist, wird ein Differenzverstärker hinzugefügt. Das Gerät enthält einen State-Machine-Sequencer anstelle eines Mikrocontrollers. Die Firmware wurde von einem diskreten Prototyp übernommen, der ein FPGA-gesteuertes Digital-IO-Modul verwendete.

Zwei Wafer wurden im X-FAB-Verfahren hergestellt und eine Teilmenge der Chips wurde auf Testplatinen geklebt. Erste Funktionstests bestätigten das erwartete Verhalten aller Stufen, und anschließende Messungen an Dummy-Schaltungen unter Oszilloskopkontrolle validierten den Algorithmus für die Relaxationsmessung. Die Validierung in der realen Welt umfasste Impedanzmessungen an verschiedenen landwirtschaftlichen Produkten. Die Ergebnisse wurden mit einem kommerziellen Impedanzanalysator verglichen und zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Fähigkeit des Systems, synchron mit der 50-Hz-Netzfrequenz abzutasten, unterdrückt effektiv Netzstörungen. Da das Messprinzip auf der Reaktion auf eine Sprungfunktion beruht, kann der Chip mit optischen, Druck- oder mechanischen Aufnehmern gekoppelt werden, um nicht-elektrische Größen mit Zeitkonstanten von etwa 10 µs bis zu mehreren Sekunden zu überwachen. Damit eignet er sich für batteriebetriebene oder Fernerkundungsanwendungen, bei denen ein geringes Datenvolumen entscheidend ist.

Die Struktur der Zusammenarbeit war eng integriert: iba definierte die Spezifikationen für das analoge Frontend, führte Testmessungen durch und kümmerte sich um die Programmierung des Sequenzers und die Anpassung der DAC/ADC-Schnittstellen. Das IMMS war für das digitale Design, die Koordination der Masken, die Waferproduktion, das Bonden und die abschließenden Funktionstests der gebondeten Chips verantwortlich. X-FAB lieferte die Masken und stellte die Wafer her. Während des gesamten Projekts standen die Partner in regelmäßigem Austausch mit dem Projektbeirat, um sicherzustellen, dass die praktischen Anforderungen in das Design einflossen und das Endprodukt den beabsichtigten Anwendungsanforderungen entsprach. Das Projekt endete mit einer vollständig charakterisierten Ein-Chip-Lösung, die eine schnelle Impedanzmessung in kleinen Mengen ermöglicht und sich für elektrochemische Sensoren und die dynamische Überwachung von biologischen und materiellen Systemen eignet.