汽车氧传感器是电喷发动机控制系统中关键的传感部件，是控制汽车尾气排放、降低汽车对环境污染、提高汽车发动机燃油燃烧质量的关键零件。
汽车电子之氧传感器
1氧传感器的功用
氧传感器是排气氧传感器(ExhaustGasOxygenSensor，EGOS)的简称，其功用是通过监测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制(闭环控制)，从而将过量空气系数λ控制在0．98～1．02范围内，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油的目的。
2氧传感器的类型
自1976年德国博世公司率先在瑞典沃尔沃(VOLV0)轿车上装用氧传感器之后，通用、福特、丰田、日产等汽车公司相继完成了氧传感器的开发与应用工作。汽车发动机燃油喷射系统采用的氧传感器分为二氧化锆(zrO2)式和二氧化钛(TiO2)式两种类型，二氧化锆式又分为加热型与非加热型两种，二氧化钛式一般都为加热型。由于实用的二氧化钛式氧传感器价格便宜(每只售价约600元人民币)，且不易受到硅离子的腐蚀，因此越来越多的汽车采用这种氧传感器。
3二氧化锆式氧传感器
1．二氧化锆式氧传感器的结构特点
二氧化锆式氧传感器的外形如图2-38所示，主要由钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极组威。，在固体电解质粉末(ZrO2、TiO2等)中添加少量的添加剂后通过压力成形，再烧结而成；绝缘体的成形工艺完全相同。二氧化锆晶体的体积蛮化量会因晶体老化而失效(阻止氧离子扩散)，加入添加剂的目的就是防止二氧化锆晶体的老化。常用的添加剂有三氧化二钇(Y2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化二镱(Yb2O)。锆管制作成试管形状，以便氧离子能均匀扩散与渗透。锆管为了防止发动机排出的废气腐蚀外层铂电极，在外层铂电极表面还涂敷一层陶瓷保护层。在锆管的内、外表面都涂覆一层金属铂(Pt)作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。金属铂除了起到电极作用将信号电压引出传感器之外，另一个更重要的作用是催化作用。在催化剂铂的作用下，当发动机排气中的一氧化碳(CO)有害气体与氧气(O2)接触时，就会生成二氧化碳(CO2)无害气体，其化学反应方程式为
2CO+O2=2C02
二氧化锆陶瓷管的强度很低，而且安装在排气管上承受排气压力冲击。为了防止锆管受排气压力冲击而造成陶瓷管破碎，因此将锆管封装在钢质护管内。护管上制作有若干个小孔，以便于排气流通。在钢质壳体上制作有六角螺边和螺纹，以便安装和拆卸传感器。国产轿车大都采用非加热型氧传感器，其线束插头只有一个或两个接线端子；中高档轿车大都采用加热型氧传感器，其线束插头有三个或四个接线端子。加热器采用陶瓷加热元件制成，没在锆管内侧，由汽车电源通入电流进行加热。由于二氧化锆式氧传感器在300。以上的环境中时，才能输出稳定地信号电压，因此加热的目的是保证低温(排气温度在150～200℃以下)时，氧传感器就能投人工作，从而减少有害气体的排放量。
2．二氧化锆式氧传感器工作原理
空气中的氧离子在某些固体电解质中容易通过，目前已经发现的这些具有多孔性的固体电解质材料有二氧化锆(ZrO2)、二氧化钍(ThO2)、三氧化二铋(Bi2O3)、二氧化铈(C2eO2)等。当这些电解质的表面与内部之间氧气的浓度不同(即存在浓度差)时，氧气浓度高处的氧离子就会向浓度低的一侧扩散，以求达到平衡状态。当固体电解质表面设置多孔电极之后，在其两表面之间就可得到电动势E，因此将其称为“氧浓差电池”，该电动势的表达式为
目前制作氧传感器的固体电解质普遍使用二氧化锆，其工作原理如图2-39所示。因为锆管内侧与氧离子浓度高的大气相通，外侧与氧离子浓度低的排气相通，且锆管外侧的氧离平随可燃混合气浓度变化而变化，所以当氧离子在锆管中扩散时，锆管内外表面之间的电位差将随可燃混合气浓度变化而变化，即锆管相当于一个氧浓差电池，传感器的信号源相当于一个可变电源。
4．二氧化锆式氧传感器工作条件
二氧化锆式氧传感器必须满足发动机温度高于60℃、氧传感器自身温度高于300℃及发动机工作在怠速工况和部分负荷上况三个条件下才能正常调节混合气浓度，因此将其安装在温度较高的排气管上。同时，为了使氧传感器迅速达到工作温度(3000℃)而投入工作，因此采用了加热器对锆管进行加热。加热器一般采用陶瓷加热元件制成，并引出两个电极直接由汽车电源(12～14V)通电进行加热。传感元件产生的电动势与加热温度的关系如图2-40b所示，为使传感器在低温条件下就能投人工作，加热器的加热温度一般设定为300℃。
4二氧化钛式氧传感器
1．二氧化钛式氧传感器结构特点
二氧化钛(TiO2)属于N型半导体材料，其阻值大小取决于材料温度及周围环境中氧离子的浓度，因此可以用来检测排气中的氧离子浓度。1975年，美国福特汽车公司率先利用二氧化钛材料研制成功了芯片二氧化钛式传感器，1976年研制出了用金属铂(Pt)作催化剂的芯片二氧化钛式传感器，1979年又研制成功了用热敏电阻进行温度补偿的二氧化钛式传感器。丰田公司于1984年研制成功了管芯二氧化钛式传感器，1985年研制成功厚膜二氧化钛式传感器，并批量生产。二氧化钛式氧传感器的外形与二氧化锆式氧传感器相似，主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线等组成。钢质壳体上制有螺纹，以便于传感器安装。与二氧化锆式氧传感器不同的是，二氧化钛式氧传感器不需要与大气压进行比较，因此传感元件的密封与防水十分方便，利用玻璃或滑石粉等密封即可达到使用要求。此外，在电极引线与护套之间设置一个硅橡胶密封衬垫，可以防止水汽侵入传感器内部而腐蚀电极。
目前使用较多的二氧化钛传感元件有芯片式和厚膜式两种。芯片式将铂金属线埋入二氧化钛芯片中，金属铂兼作催化剂用。厚膜式采用半导体封装工艺中的氧化铝层压板工艺制成，从而使成本降低、可靠性提高。加热元件用钨丝或陶瓷材料制成，加热的目的是使传感元件的二氧化钛温度保持恒定，从而使传感器的输出特性不受温度影响。因为二氧化钛是一种多孔性的陶瓷材料，利用热传导方式对二氧化钛芯片或厚膜可以直接进行加热，所以加热效率高，达到激活温度(规定温度为600℃)需要的时间很短，这对降低发动机刚刚起动后碳氢化合物的排放量十分有利。
2．二氧化钛式氧传感器工作原理
阻值变化型二氧化钛式传感器的阻值R与氧分压Po2的关系按下述公式变化：
由于二氧化钛半导体材料的电阻具有随氧离子浓度的变化而变化的特性，因此二氧化钛式氧传感器的信号源相当于一个可变电阻，其电阻值与过量空气系数的关系如图2-41所示。
当发动机混合气稀(过量空气系数大于1)时，排气中氧离子含量较多，传感元件周围的氧离子浓度较大，二氧化钛呈现低阻状态。当发动机的可燃混合气浓(过量空气系数小于1)时，由于燃烧不完全，排气中会剩余一定的氧气，传感元件周围的氧离子很少，在催化剂铂的催化作用下，使剩余氧离子与排气中的一氧化碳(CO)产生化学反应，生成二氧化碳(CO2)，将排气中的氧离子进一步消耗掉，二氧化钛呈现高阻状态，从而大大提高了传感器的灵敏度。由上可见，二氧化钛式氧传感器的电阻将在混合气的过量空气系数λ约为1时产生突变。其电路如图2-42所示，在其输出端便可得到一个交替变化的信号。该稳定电压一般由ECU内部的稳压电路提供。
3．二氧化钛式氧传感器工作条件
二氧化钛式氧传感器必须满足发动机温度高于60℃、氧传感器自身温度高于600％以及发动机工作在怠速工况和部分负荷工况三个条件才能正常调节混合气浓度。因此，二氧化钛式传感器也安装在温度较高的排气管上，同时采用了直接加热方式使二氧化钛传感元件温度迅速达到工作温度(600℃)而投入工作。