omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2024-191-133-141TQIHSTomna-183Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, APPLIANCE AND COMMUNICATIONSИмпеданс проточной измерительной электрохимической ячейки с системой планарных встречно-штыревых микроэлектродовImpedance of a flow-through measuring electrochemical cell with a system of planar interdigitated microelectrodeshttps://orcid.org/0000-0003-3359-790XКозловА. Г.KozlovA. G.

Козлов Александр Геннадьевич - доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ), SPIN-код: 5602-8275. AuthorID (РИНЦ) 28476. AuthorID (SCOPUS) 35616609300. ResearcherID: A-5997-2014.

Омск

Kozlov Aleksandr Gennadyevich - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of Radio Devices and Diagnostic Systems Department, OmSTU, SPIN-code: 5602-8275. AuthorID (RSCI): 28476. AuthorID (SCOPUS) 35616609300. ResearcherID: A-5997-2014.

Omsk

agk252@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9811-7511ФадинаЕ. А.FadinaE. A.

Фадина Елена Александровна, старший преподаватель кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ, SPIN-код: 7360-5447. AuthorID (РИНЦ): 685278. AuthorID (SCOPUS) 57193408354. ResearcherID: HKW-4525-2023.

Омск

Fadina Elena Aleksandrovna -Senior Lecturer of Radio Devices and Diagnostic Systems Department, OmSTU, SPIN-code: 7360-5447. AuthorID (RSCI): 685278. AuthorID (SCOPUS) 57193408354. ResearcherID: HKW-4525-2023.

Omsk

fea1977@mail.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation20243009202403133141Copyright © Козлов А.Г., Фадина Е.А., 20242024Козлов А.Г., Фадина Е.А.Kozlov A.G., Fadina E.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/183

В статье рассмотрена проточная электрохимическая ячейка с планарными встречно-штыревыми микроэлектродами, предназначенная для импедансных исследований жидких веществ. Для оценки влияния высоты ячейки и геометрических параметров встречно-штыревых микроэлектродов на импеданс ячейки предложен аналитический подход, в котором используется несколько уровней моделирования электрохимических процессов в ячейке. Вначале в структуре ячейки выделяется элементарная двумерная подобласть, для которой определяется распределение потенциала путем решения дифференциального уравнения электропроводности. Используя полученное распределение потенциала, определяются линейные параметры элементарной подобласти, ее линейное сопротивления и линейная емкость, на основе которых находятся сопротивление и емкость системы встречно-штыревых микроэлектродов. Импеданс электрохимической ячейки с встречно-штыревыми микроэлектродами определяется с помощью ее эквивалентной электрической схемы, которая включает сопротивление и емкость системы встречно-штыревых микроэлектродов, емкость двойного электрического слоя на поверхности каждого микроэлектрода и сопротивление выводов встречно-штыревых микроэлектродов. Используя выражение для импеданса электрохимической ячейки, определяются ее диаграммы Найквиста и Боде для различных значений высоты ячейки и геометрических параметров системы встречно-штыревых микроэлектродов (ширины штырей и расстояния между ними). Представленный аналитический подход может найти применение при анализе процессов в проточной электрохимической ячейке с встречно-штыревыми микроэлектродами, ее проектировании и разработке методического обеспечения для импедансных исследований жидких веществ с ее помощью.

The article considers a flow-through electrochemical cell with planar interdigitated microelectrodes intended for impedance studies of liquids. To assess the influence of the cell height and geometric parameters of the interdigitated microelectrodes on the cell impedance, an analytical approach is proposed that uses several levels of modeling electrochemical processes in the cell. At first, an elementary two-dimensional subdomain is distinguished in the cell structure, for which the potential distribution is determined by solving the differential equation of electrical conductivity. Using the obtained potential distribution, the linear parameters of the elementary subdomain, its linear resistance and linear capacitance are determined, on the basis of which the resistance and capacitance of the interdigitated microelectrode system are found. The impedance of an electrochemical cell with interdigitated microelectrodes is determined using its equivalent electrical circuit, which includes the resistance and capacitance of the interdigitated microelectrode system, the capacitance of the double electric layer on the surface of each microelectrode, and the resistances of the interdigitated microelectrode leads. Using the expression for the impedance of the electrochemical cell, its Nyquist and Bode diagrams are determined for different values of the cell height and geometric parameters of the interdigitated microelectrode system. The presented approach can be used to analyze processes in a flow-through electrochemical cell with interdigitated microelectrodes, its design, and the development of methodological support for impedance studies of liquid substances with help of it.

электрохимическая ячейкасистема встречно-штыревых микроэлектродовимпедансэквивалентная электрическая схемадиаграмма Найквистадиаграмма Бодемодуль импедансааргумент импедансаelectrochemical cellinterdigitated microelectrode systemimpedanceequivalent electrical circuitNyquist diagramBode diagramimpedance modulusimpedance argumentРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федерального проекта «Подготовка кадров и научного фундамента для электронной промышленности» государственной программы Российской Федерации «Научно-технологическое развитие Российской Федерации». Соглашение о предоставлении субсидии № 075-02-2024-1533The work is carried out with financial support from the Ministry of Education and Science of the Russian Federation within the framework of the federal project «Training of personnel and scientific foundation for the electronics industry» of the state program of the Russian Federation «Scientific and technological development of the Russian Federation». Subsidy agreement No. 075-02-2024-1533ReferencesLvovich V. F. Impedance spectroscopy: applications to electrochemical and dielectric phenomena. New Jersey: John Wiley & Sons, 2012. 356 p. ISBN 978-0-470-62778-5.Lvovich V. F. Impedance spectroscopy: applications to electrochemical and dielectric phenomena. New Jersey: John Wiley & Sons, 2012. 356 p. ISBN 978-0-470-62778-5. (In Engl.).Stulik K., Amatore C., Holub K. [et al.]. Microelectrodes. Definitions, characterization, and applications (Technical report) // Pure and Applied Chemistry. 2000. Vol. 72. P. 1483–1492. DOI: 10.1351/pac200072081483.Stulik K., Amatore C., Holub K. [et al.]. Microelectrodes. Definitions, characterization, and applications (Technical report) // Pure and Applied Chemistry. 2000. Vol. 72. P. 1483–1492. DOI: 10.1351/pac200072081483. (In Engl.).Olthuis W., Streekstra W., Bergveld P. Theoretical and experimental determination of cell constants of planarinterdigitated electrolyte conductivity sensors // Sensors and Actuators B: Chemical. 1995. Vol. 24. P. 252–256. DOI: 10.1016/0925-4005(95)85053-8.Olthuis W., Streekstra W., Bergveld P. Theoretical and experimental determination of cell constants of planarinterdigitated electrolyte conductivity sensors // Sensors and Actuators B: Chemical. 1995. Vol. 24. P. 252–256. DOI: 10.1016/0925-4005(95)85053-8. (In Engl.).Timmer B., Sparreboom W., Olthuis W. [et al.]. Optimization of an electrolyte conductivity detector for measuring low ion concentrations // Lab on a Chip. 2002. Vol. 2. P. 121–124. DOI: 10.1039/B201225A.Timmer B., Sparreboom W., Olthuis W. [et al.]. Optimization of an electrolyte conductivity detector for measuring low ion concentrations // Lab on a Chip. 2002. Vol. 2. P. 121–124. DOI: 10.1039/B201225A. (In Engl.).Lvovich V. F., Liu C. C., Smiechowski M. F. Optimization and fabrication of planar interdigitated impedance sensors for highly resistive non-aqueous industrial fluids // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. Vol. 119. P. 490–496. DOI: 10.1016/j.snb.2006.01.003.Lvovich V. F., Liu C. C., Smiechowski M. F. Optimization and fabrication of planar interdigitated impedance sensors for highly resistive non-aqueous industrial fluids // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. Vol. 119. P. 490–496. DOI: 10.1016/j.snb.2006.01.003. (In Engl.).den Otter M. W. Approximate expressions for the capacitance and electrostatic potential of interdigitated electrodes // Sensors and Actuators A: Physical. 2002. Vol. 96. P. 140-144. DOI: 10.1016/S0924-4247(01)00783-X.den Otter M. W. Approximate expressions for the capacitance and electrostatic potential of interdigitated electrodes // Sensors and Actuators A: Physical. 2002. Vol. 96. P. 140-144. DOI: 10.1016/S0924-4247(01)00783-X. (In Engl.).Igreja R., Dias C. J. Analytical evaluation of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure // Sensors and Actuators A: Physical. 2004. Vol. 112. P. 291–301. DOI: 10.1016/j.sna.2004.01.040.Igreja R., Dias C. J. Analytical evaluation of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure // Sensors and Actuators A: Physical. 2004. Vol. 112. P. 291–301. DOI: 10.1016/j.sna.2004.01.040. (In Engl.).Igreja R., Dias C. J. Extension to the analytical model of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure // Sensors and Actuators A. Physical. 2011. Vol. 172. P. 392–399. DOI: 10.1016/j.sna.2011.09.033.Igreja R., Dias C. J. Extension to the analytical model of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure // Sensors and Actuators A. Physical. 2011. Vol. 172. P. 392–399. DOI: 10.1016/j.sna.2011.09.033. (In Engl.).Yang L., Li Y., Griffis C. L. [et al.]. Interdigitated microelectrode (IME) impedance sensor for the detection of viable Salmonella typhimurium // Biosensors and bioelectronics. 2004. Vol. 19. P. 1139–1147. DOI: 10.1016/j.bios.2003.10.009.Yang L., Li Y., Griffis C. L. [et al.]. Interdigitated microelectrode (IME) impedance sensor for the detection of viable Salmonella typhimurium // Biosensors and bioelectronics. 2004. Vol. 19. P. 1139–1147. DOI: 10.1016/j.bios.2003.10.009. (In Engl.).Ibrahim M., Claudel J., Kourtiche D. [et al.]. Physical and electrical modeling of interdigitated electrode arrays for bioimpedance spectroscopy // New Developments and Applications in Sensing Technology. 2011. P. 169–189. DOI: 10.1007/978-3-642-17943-3_9.Ibrahim M., Claudel J., Kourtiche D. [et al.]. Physical and electrical modeling of interdigitated electrode arrays for bioimpedance spectroscopy // New Developments and Applications in Sensing Technology. 2011. P. 169–189. DOI: 10.1007/978-3-642-17943-3_9. (In Engl.).Ibrahim M., Claudel J., Kourtiche D. [et al.]. Geometric parameters optimization of planar interdigitated electrodes for bioimpedance spectroscopy // Journal of Electrical Bioimpedance. 2013. Vol. 4. P. 13–22. DOI: 10.5617/jeb.304.Ibrahim M., Claudel J., Kourtiche D. [et al.]. Geometric parameters optimization of planar interdigitated electrodes for bioimpedance spectroscopy // Journal of Electrical Bioimpedance. 2013. Vol. 4. P. 13–22. DOI: 10.5617/jeb.304. (In Engl.).Ngo T. T., Shirzadfar H., Kourtiche D. [et al.]. A planar interdigital sensor for bio-impedance measurement: Theoretical analysis, optimization and simulation // Journal of Nanoand Electronic Physics. 2014. Vol. 6. 01011. 7 p.Ngo T. T., Shirzadfar H., Kourtiche D. [et al.]. A planar interdigital sensor for bio-impedance measurement: Theoretical analysis, optimization and simulation // Journal of Nanoand Electronic Physics. 2014. Vol. 6. 01011. 7 p. (In Engl.).MacKay S., Hermansen P., Wishart D. [et al.]. Simulations of interdigitated electrode interactions with gold nanoparticles for impedance-based biosensing applications // Sensors. 2015. Vol. 15. P. 22192–22208. DOI: 10.3390/s150922192.MacKay S., Hermansen P., Wishart D. [et al.]. Simulations of interdigitated electrode interactions with gold nanoparticles for impedance-based biosensing applications // Sensors. 2015. Vol. 15. P. 22192–22208. DOI: 10.3390/s150922192. (In Engl.).McNealy B. E., Jiang J., Hertz J. L. A precise, reducedparameter model of thin film electrolyte impedance // Journal of The Electrochemical Society. 2015. Vol. 162. P. F537–F546. DOI: 10.1149/2.0281506jes.McNealy B. E., Jiang J., Hertz J. L. A precise, reducedparameter model of thin film electrolyte impedance // Journal of The Electrochemical Society. 2015. Vol. 162. P. F537–F546. DOI: 10.1149/2.0281506jes. (In Engl.).Blume S. O. P., Ben-Mrad R., Sullivan P. E. Modelling the capacitance of multi-layer conductor-facing interdigitated electrode structures // Sensors and Actuators B: Chemical. 2015. Vol. 213. P. 423–433. DOI: 10.1016/j.snb.2015.02.088.Blume S. O. P., Ben-Mrad R., Sullivan P. E. Modelling the capacitance of multi-layer conductor-facing interdigitated electrode structures // Sensors and Actuators B: Chemical. 2015. Vol. 213. P. 423–433. DOI: 10.1016/j.snb.2015.02.088. (In Engl.).Dias C. J., Igreja R. A method of recursive images to obtain the potential, the electric field and capacitance in multilayer interdigitated electrode (IDE) sensors // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. Vol. 256. P. 95–106. DOI: 10.1016/j.sna.2017.01.021.Dias C. J., Igreja R. A method of recursive images to obtain the potential, the electric field and capacitance in multilayer interdigitated electrode (IDE) sensors // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. Vol. 256. P. 95–106. DOI: 10.1016/j.sna.2017.01.021. (In Engl.).Dizon A., Orazem M. E. On the impedance response of interdigitated electrodes // Electrochimica Acta. 2019. Vol. 327. 135000. 13 p. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.135000.Dizon A., Orazem M. E. On the impedance response of interdigitated electrodes // Electrochimica Acta. 2019. Vol. 327. 135000. 13 p. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.135000. (In Engl.).Dizon A., Orazem M. E. On experimental determination of cell constants for interdigitated electrodes // Electrochimica Acta. 2020. Vol. 337. 135732. 12p. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.135732.Dizon A., Orazem M. E. On experimental determination of cell constants for interdigitated electrodes // Electrochimica Acta. 2020. Vol. 337. 135732. 12p. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.135732. (In Engl.).Kozlov A. G., Fadina E. A. Analysis of electrophysical processes in system of interdigitated microelectrodes used in microchannels // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. P. 1–5. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819032.Kozlov A. G., Fadina E. A. Analysis of electrophysical processes in system of interdigitated microelectrodes used in microchannels // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. P. 1–5. DOI: 10.1109/ Dynamics.2016.7819032. (In Engl.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.