在精密的航天仪器中,氧传感器作为一种检测空气中氧浓度的传感器而扮演着不可替换的角色。作为氧仪表的核心元件——平板式极限电流型氧传感器由于响应速度快、灵敏度高、稳定性好、工作寿命长以及无需参比气体的优势成为了研究生产的重点。本文采用数值仿真与实验验证相结合的方法,开展了氧传感器结构尺寸与工作条件对其性能影响的机理研究,并针对不同量程、不同工作环境下的传感器结构尺寸、响应时间、输出性能指标、热力学性能进行了耦合条件下的机理建模、特性分析和性能优化。首先,对极限电流型氧传感器的工作机理和输出特性进行了分析。分析了极限电流型氧传感器的气体扩散机理、固体电解质氧泵反应机理、极限电流产生机理,进而提取出影响氧传感器输出特性的关键因素有材料特性、工作环境、传感器结构尺寸。通过对传感器结构组成的细致分析,并针对氧传感器性能指标,设计了一种应用于航天器环境的极限电流型氧传感器。其次,利用流体动力学和结构热力学仿真的方法,对传感器物理扩散、电化学氧泵反应、温度场、应力场等多场耦合的复杂工作过程进行了仿真分析。通过建立氧传感器流体电化学和结构热力学模型,对传感器进行基于组分扩散、多孔介质传输、电化学-热耦合、电-热-力耦合的多场耦合分析。通过这些分析得出满足传感器响应时间最短的扩散孔尺寸和微腔室厚度。通过对氧传感器升温特性进行分析,得出了加热电压与氧传感器温度的关系,并对氧传感器冷启动响应时间、温度场、热应力和总形变进行了分析,对两种固体电解质材料进行对比分析,从热膨胀系数角度分析了热应力产生的原因。最后,基于稳态热-力耦合分析以传感器温度、应力、形变为目标函数对传感器尺寸及加热片形状进行了多目标优化设计,并采用优化设计结构进行了氧传感器制备和整体性能测试,通过输出特性、响应时间、升温特性对数值仿真的优化设计方法进行了验证,对其中产生的误差进行了分析。最终给出一种满足航天要求的,工作范围在0.01~96%的,量程宽、精度高、寿命长、响应快、功耗低的氧传感器优化设计结构。本文采用数值仿真与实验验证相结合方法,对影响传感器性能的因素进行了分析和优化。在特定环境下可以给出一种快捷、可靠的氧传感器结构设计和优化方法。