自然界中氧气是一种特殊的存在，而对氧气的检测分析也有多种特殊方法，除了顺磁法外，氧化锆也是检测氧气的特有方法。由于这种方法具有成本低、响应速度快、可靠性高等特点，是应用最广泛的氧气检测手段。每年在汽车发动机燃烧比、烟道尾气等领域有着数千万的出货量，是氧气检测分析领域当之无愧的工薪白领，是氧气检测分析的中坚。（本部分蓝翔技校的汽修老师们一定说的比我好，专业汽修人员需要掌握这个用于测量空燃比的传感器哦）
一、氧化锆氧传感器基础原理
1889年，一个25岁的德国青年物理化学家能斯特发现氧化锆在
高温下呈现离子导电现象，如图1所示。简单说就是氧化锆在高温下会发生电离，内部出现可流动的氧离子。当氧化锆两侧涂抹上铂电极，氧化锆两侧氧气浓度存在差异时，且在铂电极高温催化下电离出氧离子，氧离子便能透过氧化锆从高浓度侧流向低浓度侧，产生电势差，且浓度差越大电势差越大。依据这一基本特性就可以研制出不同类型的氧化锆氧传感器。
图1 氧化锆高温离子导电
基础理论的突破可以带来应用研究的迅猛发展，氧化锆离子导电现象的发现，在半个世纪后终于带来了氧气检测技术的突飞猛进。根据这一发现，实现了不同类型的氧传感器，
主要包括浓度差型、离子流型、双离子流型等。（1）浓度差型这是最基本的结构，是对氧化锆氧离子导电的直接应用，原理见图2所示。在一根锆管内外涂有电极，电极既有辅助导电作用。锆管内外一边为参比气体、一边为被测气体。参比气体一般要求保持恒定，比如暴露在空气中以空气作为参比。另一边是被测气，当被测气与参比气产生浓度差时，两电极之间就产生电势差。该类传感器还需要用一个加热装置将锆管加热到600℃以上才能正常工作。氧浓差型氧传感器有管形结构也有片式结构，如图3所示。
图2 氧浓差型原理
图3 管式和片式氧化锆传感器
如果在浓度差型氧化锆传感器的电极上加上一个电压，那么高温条件下，氧化锆电解质内部的氧离子将根据电压的方向进行移动，即氧气会从一边被强制转移到另一边，这个就是“氧泵”。这个过程在两个电极间形成电流，电压增大，泵氧能力也增大，电流也随之增大。
如果在这个浓度差型氧传感器的被泵氧一侧加上一个渗透膜，让氧气只能以某一速率通过渗透膜，到达电极，这样当外置电压超过一定值后，由于氧气量的限制，电流不会再增加。
固定电压后，电流强度就只和被测氧气有关了。渗透膜的增加阻碍了氧气进入氧化锆内部，使得离子流氧传感器不适合测量ppm级的氧气，但较适合用于测量高浓度的氧气。
（3）双离子流型对一般的氧气检测，浓度差型和离子流型就已经完全可以满足要求了，而且一个适合高浓度测量，一个适合低浓度测量。但在氧化锆氧传感器的一个极为重要的应用领域（汽车空燃比测量）中，仅仅测量氧气还不够，还需要输出控制信号。为了简化应用，在早期浓度差型和离子流型的基础上又发展出了双离子流型（或者叫宽域型），如图4所示。双离子型氧传感器的主要优势是可以方便的输出反馈控制信号，控制汽车燃烧比在合理的范围。
图4 宽域型氧化锆原理结构
氧化锆氧传感器的实现是一个非常复杂的工艺过程，氧化锆材料处理、掺杂、成型、结构、涂电极、烧结、封装等过程都对最后的性能有重要影响。
比如离子流型的渗透膜孔径和厚度决定的该传感器的测量范围；又比如锆管的成型烧结过程决定了传感器后期高温使用过程中是否有断裂缺陷；封装过程是否存在漏气影响参比气与测量气的隔离等等。 三、氧化锆氧传感器的特点与应用
氧化锆已经实现了工业化生产，特别是汽车级的品质管控保证了氧传感器的质量，同时也大大降低了传感器成本。由于氧化锆氧传感器一般需要在600℃以上高温使用，且属于接触式测量，不宜在一些场合使用。综合来看，氧化锆氧传感器优势非常明显，但也存在不少使用禁忌，如表1所示。
表1 氧化锆氧传感器优势与禁忌
氧化锆氧传感器良好的性能表现，除了一些特殊场合外，在
汽车燃烧效率测量、烟道中氧气测量、工业过程氧气测量、空气中氧气测量等等领域有着广泛应用，但一般不能应用于过程安全监控领域。
除了常规的氧气监测外，氧化锆实际检测的是氧离子，利用这一特性，还可以发展出其他的应用，主要有
高温水气的测量、氮氧化物测量以及作为色谱检测器测量惰性气体中的微量杂质。有兴趣的可以探讨。
四、后记
我们有近三十年的氧化锆氧气检测应用经历，因此对这个领域有一些了解，下面回答几个可能有意思的问题。
（1）用于汽车的氧传感器能用于其他领域吗？氧化锆传感器应用广泛，汽车氧传感器由于出货量极大，每年数千万支，因此成本和品质比较能得到保证，目前主流是离子流型和双离子流型。由于这种传感器是为测量燃烧比设计的，也就是测量燃烧后的氧气设计的，主要响应区间在空气氧含量以下，对高浓度响应特性在设计时一般不会重点考虑，同时离子流型本身不适合50ppm以下的氧气测量。所以一般的汽车氧传感器，
对0.1%~25%的测量效果较好，对96%以上氧气的测量一般不行，也有些型号可以，但要需要改变其一般使用参数，对寿命等参数可能会产生影响。因此将其应用于烟道等领域应该是不错的选择。
（2）国内氧化锆传感器的水平怎样？个人认为国内氧化锆传感器应该是国际水平，差距不大。国内用于汽车空燃比测量的离子流型片式氧化锆已经量产并供货，双离子流宽域型也即将量产。汽车级的产品供货标志着我国氧化锆传感器水平已经处于国际水平。
在其他氧气检测领域，由于市场规模等原因，发展速度还不快。比如硅酸盐所价值上亿的片式氧化锆传感器全套产线，可以快速制作出适用于高浓度氧气检测的锆片，但总体市场规模和目标价格实在难以支撑使用这样的产线。
在微量检测的浓度差型传感器方面，从我们的测试看，国内的传感器也处于国际水平，但危机也不小。由于市场规模更小，且需要我们说的工匠精神才能制作出高性能的传感器，但现有从业技术人员普遍年龄大，年轻的科研工作者都忙于报项目报奖，技术延续存在危机。
转载：极善思传感技术微信公众号于2019年3月20日发布的文章
