ZrO2氧传感器的发展与应用

ZrO2氧传感器的发展与应用

第２７卷第２期２１Ｘ）４年４月 综述

山东陶瓷

ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＥＲＡＭＩＣＳ

Ｖ０１．２７Ａｐｒ．２００４

Ｎｏ．２

文章编号：１００５－０６３９｛２００４）０２－００１５－０４

Ｚｒ０２氧传感器的发展与应用

王连红

（山东大学，济南２５００００）

摘要：氧化锆氧传感器是采用氧化锆固体电解质组成的对氧敏感的传感器，属于固体离子

学中的一个重要应用方面。本文概述了氧化锆传感器的发展历史，介绍了氧化锆传感器的工作原理。综述了氧化锆传感器在测氧技术和汽车尾气排放中的应用，并分析了氧化锆传感器

存在的关键问题。

关键词：氧化锆；固体电解质；传感器

中图分类号：ＴＧ

文献标识码：Ａ

随着现代科学技术的进步，人们所使用和接触的气体越来越多，因此要求对这些气体的成分

进行分析，检测及报警的领域也日益扩大。长期

１氧化锆氧传感器的产生与发展

早在１９００年Ｎｅｍｓｔ【５Ｊ就指出，在６５００Ｃ以上的高温条件下，Ｚ１０２ ＣａＯ具有氧离子导电性。

以来，人们研究和应用了多种气体检测方法，如气

相色谱法、火焰光度法等方法，但是这些方法的共

１９０８年有人利用ｚ畦 ＣａＯ组成的氧浓差电池来

作热力学研究【６｜。但是直到１９４３年，Ｗａｇｎｅｒｋｌ７』才

从理论分析上提出它的空穴导电机理，１９５１年

同点是成本高、设备复杂，不宜广泛采用，而后来发展起来的半导体法则结构简单、灵敏度高、使用

方便、价格便宜，因此发展十分迅速。气敏陶瓷就

Ｈｕｎｄ［８］等人用实验证实了它，从而使它由理论探讨开始走向实用阶段，引起了人们的重视。１９６１

年美国西屋电气公司两位科学家Ｗｅｉｓｓｂａｒｔ和Ｒｕ．

是其中较重要的分支。气敏陶瓷是指其电阻随周围环境的气氛而变化，可代替人鼻。气敏陶瓷可

分为半导体式和固体电解质式两大类ｌｌ－３ｊ。

固体电解质具有与熔盐或电解质水溶液相同

ｋａ［９］做了的第一个氧化锆氧传感器，并申请了专利。６０年代末７０年代初，法国冶金研究院和冶金研究中心等将氧化锆氧传感器用于钢液测氧中

将测氧速度提高到ｌＯｓ，从而使镇静钢与半镇静钢这类优质钢的产量提高了一个数量级¨０１。

数量级的离子电导率，且离子在固体中可快速移动［４ｊ。固体电解质可分为阳离子导体和阴离子导体，其中含有０２一或Ｆ一的ＩＪａＲ等为阴离子导体。Ｆ一、０２一等阴离子，由于半径大，仅在高温下才能

显示出离子导电性。

随着各种固体电解质材料的不断研制与性能

氧化锆氧传感器的另一个重要应用是测定汽车尾气。７０年代末８０年代初，氧化锆氧传感器作为一个小巧的构件插入尾气管实现了空燃比的反馈控制，从而实现了电子喷油自控系统，将汽车排污量降低了数倍。

随着研究的不断进行，氧化锆氧传感器的应用越来越广泛。我国从１９７５年起也迅速开展了

这一应用领域的研究工作。

的提高，固体电解质传感器种类日益增多，应用领

域也不断扩大。其中，研究较为成熟的Ｚｒ０２固

体电解质氧传感器，由于具有测量精度高、测量范围广以及可直接以电压（或电流）形式输出等特点，可广泛用于燃油等的废气监测与最佳空燃比

的控制、汽车尾气中的有害气体的控制，玻璃熔炼

炉等的气氛测量与控制，以及医疗、保健等方面用

于氧浓的测量与欠氧报警。

２氧化锆离子导电原理

氧化锆传感器的核心构件是氧化锆固体电解

质，氧化锆固体电解质是由多元氧化物组成的。

收稿日期：２００３—１１－２４

万方数据　

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