自然界中氧氣是一種特殊的存在，而對氧氣的檢測分析也有多種特殊方法，除了順磁法外，氧化鋯也是檢測氧氣的特有方法。由于這種方法具有成本低、響應速度快、可靠性高等特點，是應用最廣泛的氧氣檢測手段。每年在汽車發動機燃燒比、煙道尾氣等領域有著數千萬的出貨量，是氧氣檢測分析領域當之無愧的工薪白領，是氧氣檢測分析的中堅。（本部分藍翔技校的汽修老師們一定說的比我好，專業汽修人員需要掌握這個用于測量空燃比的傳感器哦）
一、氧化鋯氧傳感器基礎原理
1889年，一個25歲的德國青年物理化學家能斯特發現氧化鋯在
高溫下呈現離子導電現象，如圖1所示。簡單說就是氧化鋯在高溫下會發生電離，內部出現可流動的氧離子。當氧化鋯兩側涂抹上鉑電極，氧化鋯兩側氧氣濃度存在差異時，且在鉑電極高溫催化下電離出氧離子，氧離子便能透過氧化鋯從高濃度側流向低濃度側，產生電勢差，且濃度差越大電勢差越大。依據這一基本特性就可以研制出不同類型的氧化鋯氧傳感器。
圖1 氧化鋯高溫離子導電
基礎理論的突破可以帶來應用研究的迅猛發展，氧化鋯離子導電現象的發現，在半個世紀后終于帶來了氧氣檢測技術的突飛猛進。根據這一發現，實現了不同類型的氧傳感器，
主要包括濃度差型、離子流型、雙離子流型等。（1）濃度差型這是最基本的結構，是對氧化鋯氧離子導電的直接應用，原理見圖2所示。在一根鋯管內外涂有電極，電極既有輔助導電作用。鋯管內外一邊為參比氣體、一邊為被測氣體。參比氣體一般要求保持恒定，比如暴露在空氣中以空氣作為參比。另一邊是被測氣，當被測氣與參比氣產生濃度差時，兩電極之間就產生電勢差。該類傳感器還需要用一個加熱裝置將鋯管加熱到600℃以上才能正常工作。氧濃差型氧傳感器有管形結構也有片式結構，如圖3所示。
圖2 氧濃差型原理
圖3 管式和片式氧化鋯傳感器
如果在濃度差型氧化鋯傳感器的電極上加上一個電壓，那么高溫條件下，氧化鋯電解質內部的氧離子將根據電壓的方向進行移動，即氧氣會從一邊被強制轉移到另一邊，這個就是“氧泵”。這個過程在兩個電極間形成電流，電壓增大，泵氧能力也增大，電流也隨之增大。
如果在這個濃度差型氧傳感器的被泵氧一側加上一個滲透膜，讓氧氣只能以某一速率通過滲透膜，到達電極，這樣當外置電壓超過一定值后，由于氧氣量的限制，電流不會再增加。
固定電壓后，電流強度就只和被測氧氣有關了。滲透膜的增加阻礙了氧氣進入氧化鋯內部，使得離子流氧傳感器不適合測量ppm級的氧氣，但較適合用于測量高濃度的氧氣。
（3）雙離子流型對一般的氧氣檢測，濃度差型和離子流型就已經完全可以滿足要求了，而且一個適合高濃度測量，一個適合低濃度測量。但在氧化鋯氧傳感器的一個極為重要的應用領域（汽車空燃比測量）中，僅僅測量氧氣還不夠，還需要輸出控制信號。為了簡化應用，在早期濃度差型和離子流型的基礎上又發展出了雙離子流型（或者叫寬域型），如圖4所示。雙離子型氧傳感器的主要優勢是可以方便的輸出反饋控制信號，控制汽車燃燒比在合理的范圍。
圖4 寬域型氧化鋯原理結構
氧化鋯氧傳感器的實現是一個非常復雜的工藝過程，氧化鋯材料處理、摻雜、成型、結構、涂電極、燒結、封裝等過程都對最后的性能有重要影響。
比如離子流型的滲透膜孔徑和厚度決定的該傳感器的測量范圍；又比如鋯管的成型燒結過程決定了傳感器后期高溫使用過程中是否有斷裂缺陷；封裝過程是否存在漏氣影響參比氣與測量氣的隔離等等。 三、氧化鋯氧傳感器的特點與應用
氧化鋯已經實現了工業化生產，特別是汽車級的品質管控保證了氧傳感器的質量，同時也大大降低了傳感器成本。由于氧化鋯氧傳感器一般需要在600℃以上高溫使用，且屬于接觸式測量，不宜在一些場合使用。綜合來看，氧化鋯氧傳感器優勢非常明顯，但也存在不少使用禁忌，如表1所示。
表1 氧化鋯氧傳感器優勢與禁忌
氧化鋯氧傳感器良好的性能表現，除了一些特殊場合外，在
汽車燃燒效率測量、煙道中氧氣測量、工業過程氧氣測量、空氣中氧氣測量等等領域有著廣泛應用，但一般不能應用于過程安全監控領域。
除了常規的氧氣監測外，氧化鋯實際檢測的是氧離子，利用這一特性，還可以發展出其他的應用，主要有
高溫水氣的測量、氮氧化物測量以及作為色譜檢測器測量惰性氣體中的微量雜質。有興趣的可以探討。
四、后記
我們有近三十年的氧化鋯氧氣檢測應用經歷，因此對這個領域有一些了解，下面回答幾個可能有意思的問題。
（1）用于汽車的氧傳感器能用于其他領域嗎？氧化鋯傳感器應用廣泛，汽車氧傳感器由于出貨量極大，每年數千萬支，因此成本和品質比較能得到保證，目前主流是離子流型和雙離子流型。由于這種傳感器是為測量燃燒比設計的，也就是測量燃燒后的氧氣設計的，主要響應區間在空氣氧含量以下，對高濃度響應特性在設計時一般不會重點考慮，同時離子流型本身不適合50ppm以下的氧氣測量。所以一般的汽車氧傳感器，
對0.1%~25%的測量效果較好，對96%以上氧氣的測量一般不行，也有些型號可以，但要需要改變其一般使用參數，對壽命等參數可能會產生影響。因此將其應用于煙道等領域應該是不錯的選擇。
（2）國內氧化鋯傳感器的水平怎樣？個人認為國內氧化鋯傳感器應該是國際水平，差距不大。國內用于汽車空燃比測量的離子流型片式氧化鋯已經量產并供貨，雙離子流寬域型也即將量產。汽車級的產品供貨標志著我國氧化鋯傳感器水平已經處于國際水平。
在其他氧氣檢測領域，由于市場規模等原因，發展速度還不快。比如硅酸鹽所價值上億的片式氧化鋯傳感器全套產線，可以快速制作出適用于高濃度氧氣檢測的鋯片，但總體市場規模和目標價格實在難以支撐使用這樣的產線。
在微量檢測的濃度差型傳感器方面，從我們的測試看，國內的傳感器也處于國際水平，但危機也不小。由于市場規模更小，且需要我們說的工匠精神才能制作出高性能的傳感器，但現有從業技術人員普遍年齡大，年輕的科研工作者都忙于報項目報獎，技術延續存在危機。
轉載：極善思傳感技術微信公眾號于2019年3月20日發布的文章
