Analisi del front-end analogico per biosensori elettrochimici per il monitoraggio continuo di glucosio

One of the innovations that has most positively impacted the living conditions of diabetes mellitus patients is continuous glucose monitoring (CGM). This technology allows for real-time blood glucose monitoring, overcoming the limitations of traditional intermittent measurements via capillary sampling. The proper operation of such devices depends on the efficiency of the electrochemical biosensor and the ability of the electronics to acquire and process very weak current signals, ensuring high accuracy, stability, and low power consumption. This thesis aims to examine the main electronic requirements of CGM systems, paying particular attention to the analog front-end, which acts as an interface between the biosensor and the subsequent signal processing phases. After introducing how biosensors operate and the role of the potentiostat, the operation of the transimpedance amplifier (TIA) will be explored in depth, a fundamental element for converting the current produced by the enzymatic reaction into a usable voltage signal. Design aspects related to gain, noise, stability and power consumption will also be analyzed. The next stages of the signal processing chain will also be recalled, from analog filtering to wireless transmission to automatic control systems, concluding with an overview of open challenges and emerging new frontiers.

Una delle innovazioni che ha più positivamente impattato le condizioni di vita dei malati di diabete mellito è il monitoraggio continuo del glucosio (CGM). Questa tecnologia permette di rilevare in tempo reale l'andamento della glicemia, superando i limiti delle tradizionali misurazioni intermittenti tramite prelievo capillare. Il corretto funzionamento di tali dispositivi dipende dall'efficienza del biosensore elettrochimico e dalla capacità dell'elettronica di acquisire ed elaborare segnali di corrente molto deboli, garantendo elevata accuratezza, stabilità e basso consumo energetico. La presente tesi si propone di esaminare i principali requisiti elettronici dei sistemi CGM, ponendo particolare attenzione al front-end analogico, che funge da interfaccia tra il biosensore e le successive fasi di elaborazione del segnale. Dopo aver introdotto come operano i biosensori e il ruolo del potenziostato, si approfondirà il funzionamento dell'amplificatore a transimpedenza (TIA), elemento fondamentale per convertire la corrente prodotta dalla reazione enzimatica in un segnale di tensione utilizzabile. Si analizzeranno inoltre gli aspetti progettuali legati al guadagno, al rumore, alla stabilità e al consumo di potenza. Anche gli stadi successivi della catena di elaborazione del segnale verranno richiamati, dal filtraggio analogico alla trasmissione wireless verso i sistemi di controllo automatico, concludendo con una panoramica sulle sfide aperte e sulle nuove frontiere emergenti.