固體電解質氧氣傳感器原理

同體電解質在高溫下才會有明顯的導電性。氧化鋯(ZrO2)是典型的氣體傳感器的材料。純正的氧化鋯在常溫下是單斜晶結構，當溫度升到1000左右時就會發生同質異晶轉變，由單斜晶結構變為多晶結構，并伴隨體積收縮和吸熱反應，因此是不穩定結構。在ZrO2中摻入穩定劑如：堿土氧化鈣CaO或稀土氧化釔Y2O3，使其成為穩定的熒石立方晶體，穩定程度與穩定劑的濃度有關。ZrO2加入穩定劑后在l800氣氛下燒結，其中一部分鋯離子就會被鈣離子替代，生成(ZrO·CaO)。由于Ca2+是正二價離子，Zr4+是正四價離子，為繼續保持電中性，會在晶體內產生氧離子O2-空穴，這是(ZrO·CaO)在高溫下傳遞氧離子的原因，結果是(ZrO·CaO)在300～800成為氧離子的導體。但要真正能夠傳遞氧離子還必須在固體電解質兩邊有不同的氧分壓(氧位差)，形成所渭的濃差電池。其結構原理如圖所示，兩邊是多孔的貴金屬電極，與中間致密的ZrO·CaO材料制成夾層結構。

設電極兩邊的氧分壓分別為PO2(1)、PO2(2)，在兩電極發生如下反應：

(+)極：PO2(2)，2O2-→O2+4e

(-)極：PO1(1)，O2+4e→2O2-

可見，在一定溫度下，固定PO2(1)，有上式可求出傳感器(+)極待測氧氣的濃度。

固定PO2(1)實際上是(-)極形成一個電位固定的電極，即參比電極，有氣體參比電極和共存相參比電極兩種。氣體參比電極可以是空氣或其他混合氣體，如：H2一H2O，CO一CO2也能形成固定的PO2(1)。共存相參比電極是指金屬-金屬氧化物、低價金屬氧化物-高價金屬氧化物的混合粉末(固相)，這些混合物與氧氣(氣相)混合發生氧化反應能形成同定的氧壓，因此也能作為參比電極。

除了測氧外，應用β一Al2O3、碳酸鹽、NASICON等固體電解質傳感器，還可用來測CO、SO2、NH4等氣體。近年來還出現了銻酸、La3F等可在低溫下使用的氣體傳感器，并可用于檢測正離子。

固體電解質氣體傳感器

固體電解質是一種具有與電解質水溶液相同的離子導電特性的固態物質，當用作氣體傳感器時，它是一種電池。它無需使氣體經過透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發和電極消耗等問題。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環保、礦業、食品等各個領域都得到了廣泛的應用，其重要性僅次子金屬—氧化物一半導體氣體傳感器。