氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)傳感器的(de)(de)核心構(gou)件(jian)是(shi)(shi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)固體(ti)(ti)(ti)電解質(zhi)，氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)固體(ti)(ti)(ti)電解質(zhi)是(shi)(shi)由多元氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)物組成的(de)(de)。常用(yong)的(de)(de)這類電解質(zhi)有ZrO2·Y2O3，它(ta)由二(er)元氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)物組成，其中(zhong)，ZrO2稱(cheng)為(wei)基體(ti)(ti)(ti)，Y2O3稱(cheng)為(wei)穩(wen)定(ding)劑。ZrO2在常溫(wen)下(xia)是(shi)(shi)單斜(xie)晶體(ti)(ti)(ti)，在高溫(wen)下(xia)它(ta)變(bian)成立方(fang)晶體(ti)(ti)(ti)(螢石型(xing))，但當它(ta)冷卻后又變(bian)為(wei)單斜(xie)晶體(ti)(ti)(ti)，因此(ci)(ci)純氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)的(de)(de)晶型(xing)是(shi)(shi)不穩(wen)定(ding)的(de)(de)。所(suo)以(yi)(yi)當在ZrO2中(zhong)摻人(ren)一(yi)定(ding)量的(de)(de)穩(wen)定(ding)劑Y2O3時，由于(yu)Y3+置換了Zr4+的(de)(de)位置，一(yi)方(fang)面(mian)在晶體(ti)(ti)(ti)中(zhong)留(liu)下(xia)了氧(yang)(yang)(yang)(yang)離子空穴，另一(yi)方(fang)面(mian)由于(yu)晶體(ti)(ti)(ti)內部應力變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)原因，該晶體(ti)(ti)(ti)冷卻后仍保留(liu)立方(fang)晶體(ti)(ti)(ti)，因此(ci)(ci)又稱(cheng)它(ta)為(wei)穩(wen)定(ding)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)。據上分(fen)析，穩(wen)定(ding)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)在高溫(wen)下(xia)(650℃以(yi)(yi)上)是(shi)(shi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)離子的(de)(de)良好導體(ti)(ti)(ti)。
典型的氧化鋯傳感器是
Pt,P''O2│ZrO2·Y2O3│P'O2,Pt
在上述電池中，Pt表示兩個鉑電極，它是涂制在氧化鋯電解質的兩邊，兩種氧分壓為P''O2和P'O2的氣體分別通過電解質的兩邊。作為氧傳感器，其中P''O2是參比氣，例如通人空氣(20.6%O2)，P'O2是待測氣，例如通入煙氣。在高溫下，由于氧化鋯電解質是良好的氧離子導體，上述電池便是一個典型的氧濃差電池。
在(zai)高溫下(650---850℃)，氧(yang)就會從分壓大(da)的(de)(de)P''O2一側(ce)(ce)向分壓小的(de)(de)P'O2側(ce)(ce)擴散，這種擴散，不是氧(yang)分子(zi)(zi)透過(guo)氧(yang)化(hua)鋯從P''O2側(ce)(ce)到P'O2側(ce)(ce)，而是氧(yang)分子(zi)(zi)離(li)解(jie)成(cheng)氧(yang)離(li)子(zi)(zi)后，通過(guo)氧(yang)化(hua)鋯的(de)(de)過(guo)程。在(zai)750℃左(zuo)右的(de)(de)高溫中，在(zai)鉑電極的(de)(de)催化(hua)作(zuo)用(yong)下，在(zai)電池的(de)(de)P''O2側(ce)(ce)發生還原反應，一個氧(yang)分子(zi)(zi)從鉑電極取得4個電子(zi)(zi)，變成(cheng)兩個氧(yang)離(li)子(zi)(zi)(O2-)進(jin)入電解(jie)質，即:O2(P''O2)+4e→2O2-
P''O2側鉑電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進入電解質后，通過晶體中的空穴向前運動到達右側的鉑電極，在電池的P'O2側發生氧化反應，氧離子在鉑電極上釋放電子并結合成氧分子析出，即:
2O2--4e→O2(P'O2)
P'O2側鉑電極由于大量得到電子而帶負電，成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個電極上，由于正負電荷的堆積而形成一個電勢，稱之為氧濃差電動勢。當用導線將兩個電極連成電路時，負極上的電子就會通過外電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中就有電流通過。
其池電勢由能斯特方程給出:
E=RT/4F×ln(P''O2/P'O2)
式中R為氣體常數，T為電池的熱力學溫度(K)，F為法拉第常數.(1)式是在理想狀態下導出的， 必須具有四個條件:(1)兩邊的氣體均為理想氣體;(2)整個電池處于恒溫恒壓系統中;(3)濃差電池是可逆的;(4)電池中不存在任何附加電勢。因此稱(1)式為氧化鋯傳感器的理論方程。由(1)式可見由于參比氣氧含量P''O2是已知的，因此測得E值后便可求得待測氣體氧含量P'O2值。
當電池工作溫度固定于700℃時，上式為:
E=48.26lg(P''O2/P'O2)
由上式，在溫度(du)700℃時，當固(gu)(gu)體(ti)電(dian)介質一側(ce)氧(yang)(yang)分壓(ya)為空氣(qi)(20.6%) 時，由濃差電(dian)池輸出電(dian)動勢E，就可以計(ji)算(suan)出固(gu)(gu)體(ti)電(dian)介質另一側(ce)氧(yang)(yang)分壓(ya)，這就是(shi)氧(yang)(yang)化鋯(gao)氧(yang)(yang)量(liang)分析(xi)儀的測氧(yang)(yang)原(yuan)理。
