氣體傳感器是氣體檢測系統的核心，通常安裝在探測頭內。從本質上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進行化學處理，以便化學傳感器進行更快速的測量。
人們已經發現SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在氣敏效應。用這些金屬氧化物制成的氣敏薄膜是一種阻抗器件，氣體分子和敏感膜之間能交換離子，發生還原反應，引起敏感膜電阻的變化。作為傳感器還要求這種反應必須是可逆的，即為了消除氣體分子還必須發生一次氧化反應。傳感器內的加熱器有助于氧化反應進程。
同體電解質在高溫下才會有明顯的導電性。氧化鋯(ZrO2)是典型的氣體傳感器的材料。純正的氧化鋯在常溫下是單斜晶結構，當溫度升到1000℃左右時就會發生同質異晶轉變，由單斜晶結構變為多晶結構，并伴隨體積收縮和吸熱反應，因此是不穩定結構。在ZrO2中摻入穩定劑如：堿土氧化鈣CaO或稀土氧化釔Y2O3，使其成為穩定的熒石立方晶體，穩定程度與穩定劑的濃度有關。