所有的氧氣傳感器都是自身供電，有限擴(kuò)散，其金屬-空氣型電池由空氣陰極，陽極和電解液組成。氧氣傳感器簡單來說是一個(gè)密封容器（金屬的或塑料的容器），它里面包含有兩個(gè)電極：陰極是涂有活性催化劑的一片PTFE（聚四氟乙烯），陽極是一個(gè)鉛塊。這個(gè)密封容器只在頂部有一個(gè)毛細(xì)微孔，允許氧氣通過進(jìn)入工作電極。兩個(gè)電極通過集電器被連接到傳感器表面突出的兩個(gè)引腳，而傳感器通過這兩個(gè)觸角被連接到所應(yīng)用的設(shè)備上。傳感器內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液，使不同種離子得以在電極之間交換（參見圖1）。

圖1 氧氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細(xì)微孔的大小。當(dāng)氧氣到達(dá)工作電極時(shí)，它立刻被還原釋放出氫氧根離子：O2 + 2H2O + 4e-
-> 4OH-這些氫氧根離子通過電解質(zhì)到達(dá)陽極（鉛），與鉛發(fā)生氧化反應(yīng)，生成對(duì)應(yīng)的金屬氧化物。2Pb + 4OH- -->
2PbO + 2H2O +
4e-上述兩個(gè)反應(yīng)發(fā)生生成電流，電流大小相應(yīng)地取決于氧氣反應(yīng)速度（法拉第定律），可外接一只已知電阻來測(cè)量產(chǎn)生的電勢(shì)差，這樣就可以準(zhǔn)確測(cè)量出氧氣的濃度。電化學(xué)反應(yīng)中，鉛極參與到氧化反應(yīng)中，使得這些傳感器具有一定的使用期限，一旦所有可利用的鉛完quan被氧化，傳感器將停止運(yùn)作。通常氧氣傳感器的使用壽命為1-2
年，但也可以通過增加陽極鉛的含量或限制接觸陽極的氧氣量來延長傳感器的使用壽命。

毛細(xì)微孔氧傳感器和氧分壓傳感器城市技術(shù)生產(chǎn)的氧氣傳感器根據(jù)進(jìn)入傳感器的氧氣的擴(kuò)散方式的不同分為兩種，一種是在傳感器頂部設(shè)有一毛細(xì)微孔，而另一種設(shè)有一層固體薄膜允許氣體通過。細(xì)孔傳感器測(cè)量的是氧氣濃度，而固體薄膜傳感器測(cè)量的是氧氣的分壓。細(xì)孔傳感器產(chǎn)生的電流反映的是被測(cè)氧氣的體積百分比濃度，與氣體總壓力無關(guān)。但當(dāng)氧氣壓力瞬間發(fā)生變化時(shí)，傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流，如果沒有控制好就會(huì)出現(xiàn)問題。同樣的問題在傳感器受到重復(fù)壓力脈沖時(shí)也會(huì)出現(xiàn)，例如進(jìn)入傳感器的氣體是抽運(yùn)式的。對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋如下所示：

壓力瞬變當(dāng)細(xì)孔氧氣傳感器遇到急劇增壓或減壓，氣體將被迫通過細(xì)孔柵板（大流量）。氣體的增加（或減少）產(chǎn)生了一個(gè)瞬變電流信號(hào)。一旦情況重新穩(wěn)定不再有壓力脈沖，瞬變即告結(jié)束。所有細(xì)孔氧氣傳感器都采用了抗大流量機(jī)制，見圖2。根本上來說，可以增加一個(gè)PTFE
抗大流量薄膜來減弱壓力變化帶來的瞬變影響。這層薄膜用一個(gè)金屬蓋或塑料蓋緊緊固定在細(xì)孔上，這個(gè)設(shè)計(jì)可以很大程度上減少信號(hào)的瞬間變化影響。

圖2 – 傳感器毛細(xì)管上的流速膜

但某些壓力變化產(chǎn)生的瞬變力量超過了這種設(shè)計(jì)允許的范圍，特別是使用抽取式儀器對(duì)傳感器輸送氣體的設(shè)備。某些泵產(chǎn)生的氣體對(duì)氧傳感器造成持續(xù)的壓力脈沖，人為地增強(qiáng)了信號(hào)。在這種情況下，有必要在傳感器外設(shè)計(jì)一個(gè)氣體膨脹室減小對(duì)傳感器的壓力脈沖。

部分分壓型氧傳感器毛細(xì)微孔控制氣體擴(kuò)散并不是控制氧氣進(jìn)入傳感器的唯yi方法，我們還可以使用一個(gè)非常薄的塑料薄膜覆蓋在傳感器頂部，使氧氣分子分散之后再能進(jìn)入傳感器（圖3）。

圖3 – 固態(tài)膜 (分壓) 氧氣傳感器

氧氣進(jìn)入工作電極的流量由通過薄膜的氧氣的分壓決定。這意味著,傳感器的輸出信號(hào)與與混合氣體中氧氣的分壓是成比例的。大氣壓的變化將導(dǎo)致傳感器輸出電流的相應(yīng)變化。如果使用抽取式氣體輸送，在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段就必須確保脈沖作用力不會(huì)對(duì)傳感器造成影響。線性關(guān)系從細(xì)孔氧氣傳感器傳出的信號(hào)是非線性的，與氧濃度（c）有如下關(guān)系：Signal
= constant * ln [ 1/(1-C)
]實(shí)際上，傳感器的輸出呈線性上升，直至氧氣濃度超過30%時(shí)才出現(xiàn)偏差，給測(cè)量帶來困難。而分壓傳感器的線性輸出可以達(dá)到*
氧氣（或1.0氧氣濃度百分比）。溫度細(xì)孔和薄膜氧氣傳感器對(duì)對(duì)溫度的變動(dòng)都是敏感的，但敏感程度不同。溫度對(duì)細(xì)孔氧氣傳感器的影響相對(duì)較小，通常溫度從+20°C到–20°C會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)損失10%。相對(duì)的，溫度對(duì)薄膜氧氣傳感器的影響要大得多，氣體擴(kuò)散通過薄膜是一個(gè)活動(dòng)的過程，通常10°C的溫度變化就會(huì)導(dǎo)致傳感器信號(hào)輸出加倍。薄膜氧氣傳感器要求溫度的相對(duì)穩(wěn)定，因而許多氧氣傳感器產(chǎn)品帶有內(nèi)置熱敏電阻。活性儲(chǔ)備設(shè)計(jì)任何電化學(xué)傳感器時(shí)都應(yīng)通過柵板（薄膜或細(xì)孔）來限制氣體通過速率，而其它各階段速率都明顯的快得多。所以，為保證電化學(xué)反應(yīng)速度，必須使用具有高催化活性的電極材料。所有氧氣傳感器都使用高活性電極，使傳感器具有高活性儲(chǔ)備，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性和低漂移性。