氧化锆氧气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。常用的这类电解质有 CaO、MgO、Y2O3、Sc2O3 与 ZrO2形成的固熔体。氧气传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在 650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压（即氧浓度）时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。它服从能斯特(Nernst)方程：
E=RT/4F*In（PR/ PM）
式中：R－气体常数；
          T－传感器的热力学温度，℃；
          F－法拉第常数；
          PR－高氧浓度（即阴极侧氧分压），%；
          PM－低氧浓度（即阳极侧氧分压），%。
由此可见，温度一定时，若参比气体为空气（氧气分压为已知时） ，此时测出E值就知道测量气体的氧含量或氧分压P值。
氧化锆氧气传感器能在各种高温环境下使用，所以广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制领域，在冶金、化工、汽车等工业部门也得到比较广泛的应用。