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(yīng)速度快、可靠性高等特點，是應(yīng)用最廣泛的氧氣檢測手段。每年在汽車發(fā)動機燃燒比、煙道尾氣等領(lǐng)域有著數(shù)千萬的出貨量，是氧氣檢測分析領(lǐng)域當之無愧的工薪白領(lǐng)，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(yè)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(chǔ)原理
1889年，一個25歲的德國青年物理化學家能斯特發(fā)現(xiàn)氧化鋯在
高溫下呈現(xiàn)離子導(dǎo)電現(xiàn)象，如圖1所示。簡單說就是氧化鋯在高溫下會發(fā)生電離，內(nèi)部出現(xiàn)可流動的氧離子。當氧化鋯兩側(cè)涂抹上鉑電極，氧化鋯兩側(cè)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(cè)流向低濃度側(cè)，產(chǎn)生電勢差，且濃度差越大電勢差越大。依據(jù)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(dǎo)電
基礎(chǔ)理論的突破可以帶來應(yīng)用研究的迅猛發(fā)展，氧化鋯離子導(dǎo)電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，在半個世紀后終于帶來了氧氣檢測技術(shù)的突飛猛進。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，是對氧化鋯氧離子導(dǎo)電的直接應(yīng)用，原理見圖2所示。在一根鋯管內(nèi)外涂有電極，電極既有輔助導(dǎo)電作用。鋯管內(nèi)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(chǎn)生濃度差時，兩電極之間就產(chǎn)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(jié)構(gòu)也有片式結(jié)構(gòu)，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(zhì)內(nèi)部的氧離子將根據(jù)電壓的方向進行移動，即氧氣會從一邊被強制轉(zhuǎn)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(cè)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(guān)了。滲透膜的增加阻礙了氧氣進入氧化鋯內(nèi)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(jīng)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用，在早期濃度差型和離子流型的基礎(chǔ)上又發(fā)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(yōu)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(jié)構(gòu)
氧化鋯氧傳感器的實現(xiàn)是一個非常復(fù)雜的工藝過程，氧化鋯材料處理、摻雜、成型、結(jié)構(gòu)、涂電極、燒結(jié)、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(jié)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(yīng)用
氧化鋯已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，特別是汽車級的品質(zhì)管控保證了氧傳感器的質(zhì)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(yōu)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(yōu)勢與禁忌
氧化鋯氧傳感器良好的性能表現(xiàn)，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(yè)過程氧氣測量、空氣中氧氣測量等等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但一般不能應(yīng)用于過程安全監(jiān)控領(lǐng)域。
除了常規(guī)的氧氣監(jiān)測外，氧化鋯實際檢測的是氧離子，利用這一特性，還可以發(fā)展出其他的應(yīng)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(zhì)。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(yīng)用經(jīng)歷，因此對這個領(lǐng)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(lǐng)域嗎？氧化鋯傳感器應(yīng)用廣泛，汽車氧傳感器由于出貨量極大，每年數(shù)千萬支，因此成本和品質(zhì)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(shè)計的，也就是測量燃燒后的氧氣設(shè)計的，主要響應(yīng)區(qū)間在空氣氧含量以下，對高濃度響應(yīng)特性在設(shè)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(shù)，對壽命等參數(shù)可能會產(chǎn)生影響。因此將其應(yīng)用于煙道等領(lǐng)域應(yīng)該是不錯的選擇。
（2）國內(nèi)氧化鋯傳感器的水平怎樣？個人認為國內(nèi)氧化鋯傳感器應(yīng)該是國際水平，差距不大。國內(nèi)用于汽車空燃比測量的離子流型片式氧化鋯已經(jīng)量產(chǎn)并供貨，雙離子流寬域型也即將量產(chǎn)。汽車級的產(chǎn)品供貨標志著我國氧化鋯傳感器水平已經(jīng)處于國際水平。
在其他氧氣檢測領(lǐng)域，由于市場規(guī)模等原因，發(fā)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(chǎn)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(guī)模和目標價格實在難以支撐使用這樣的產(chǎn)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(nèi)的傳感器也處于國際水平，但危機也不小。由于市場規(guī)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(xiàn)有從業(yè)技術(shù)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(shù)延續(xù)存在危機。
轉(zhuǎn)載：極善思傳感技術(shù)微信公眾號于2019年3月20日發(fā)布的文章
