Advances in miniaturized biomedical microsystems, ranging from in vitro microphysiological systems (MPS) to implantable devices, are enabling new modes of continuous, autonomous preclinical studies. This thesis presents a set of interconnected research contributions on millimeter-scale fluorescence-sensing and ultrasonic energy-harvesting microsystems, collectively advancing the development of integrated and miniaturized biomedical instrumentation.

The first part introduces an integrated microoptical system for fluorescence sensing in MPS, incorporating custom micro-optics and miniaturized excitation and detection units with tailored optical filters. This platform enables real-time, continuous fluorescence monitoring of microtissues under physiologically relevant conditions, strengthening the analytical capabilities of MPS for long-duration studies of drug delivery and cellular behavior.

The second part translates these sensing concepts to fully implantable microsystems capable of autonomous, long-term in vivo fluorescence recording. A compact 5 × 5 × 5 mm³ implant integrates a miniaturized optical module and low-power electronics to track fluorescence dynamics within living tissue. Validated across phantom, in vitro, ex vivo, and in vivo studies, the system demonstrates two-week continuous tracking of tumor-associated fluorescence, establishing its suitability for preclinical studies.

The final part focuses on ultrasonic energy harvesting to enable the autonomous operation of implantable devices. A MEMS-based piezoelectric ultrasonic energy harvester (PUEH) fabricated using a low-temperature bonding process allows integration of high-performance bulk PZT-5H, demonstrating the potential of MEMS architectures for efficient ultrasonic power transfer. An integrated energy-harvesting node, also in a 5 × 5 × 5 mm³ form factor, combines the MEMS-based PUEH with power management and storage to support autonomous operation of millimetric implants.

Together, these contributions advance miniaturized fluorescence sensing and ultrasonic energy transfer, enabling versatile microsystems for biomedical applications.

Framsteg inom miniatyriserade biomedicinska mikrosystem, allt från in vitro-mikrofysiologiska system (MPS) till implanterbara enheter, möjliggör nya former av kontinuerliga, autonoma prekliniska studier. Denna avhandling presenterar en uppsättning sammankopplade forskningsbidrag om millimeterskaliga fluorescensavkännande och ultraljudsenergiupptagnings-mikrosystem, som tillsammans främjar utvecklingen av integrerade och miniatyriserade biomedicinska instrument.

Den första delen introducerar ett integrerat mikrooptiskt system för fluorescensavkänning i MPS, som innehåller anpassad mikrooptik och miniatyriserade excitations- och detektionsenheter med skräddarsydda optiska filter. Denna plattform möjliggör kontinuerlig fluorescensövervakning i realtid av mikrovävnader under fysiologiskt relevanta förhållanden, vilket stärker MPS analytiska kapacitet för långvariga studier av läkemedelsleverans och cellulärt beteende. Den andra delen översätter dessa avkänningskoncept till helt implanterbara mikrosystem som kan utföra autonom, långsiktig in vivo-fluorescensregistrering. Ett kompakt 5 × 5 × 5 mm³-implantat integrerar en miniatyriserad optisk modul och lågeffektselektronik för att spåra fluorescensdynamik i levande vävnad. Systemet har validerats i fantom-, in vitro-, ex vivo- och in vivo-studier och demonstrerar två veckors kontinuerlig övervakning av tumörassocierad fluorescens, vilket fastställer dess lämplighet för prekliniska studier. Den sista delen fokuserar på ultraljudsenergiupp-samling för att möjliggöra autonom implantatdrift. En MEMS-baserad piezoelektrisk ultraljudsenergiuppsamlingsenhet (PUEH) tillverkad med en lågtemperaturbindningsprocess möjliggör integration av högpresterande bulk-PZT-5H, vilket demonstrerar potentialen hos MEMS-arkitekturer för effektiv ultraljudsenergiöverföring. En integrerad energiuppsamlingsnod, också i en formfaktor på 5 × 5 × 5 mm³, kombinerar MEMS PUEH med energihantering och lagring för att stödja autonom drift av millimetriska implantat.

Tillsammans främjar dessa bidrag miniatyriserad fluorescensavkänning och ultraljudsenergiöverföring, vilket möjliggör mångsidiga mikrosystem för biomedicinska tillämpningar.