干簧继电器研究现状与进展
摘 要：继电器是控制工程领域常用的控制元件，传统的机械式继电器由于其体积大与可靠性差等原因已不能满足
目前市场的实际需要，干簧管继电器作为一类新型的继电器，其一系列优点克服了传统继电器的不足。本文论述了
干簧继电器的结构与工作原理、生产特点与使用领域，简要概述了国内外干簧继电器的开发状态，并对干簧管的发
展趋势做了预测。
关键词：干簧管 继电器 封接玻璃磁簧开关
中图分类号：TM58 文献标识码：A
继电器作为一种常用的控制组件，可以用较小的电流来控制较大的电流，用低电压来控制高电压，用直流电来控制交流电，并可实现控制电路与被控制电路的隔离，在自动控制、遥控、保护电路等方面得到广泛的应用。传统的电磁继电器是利用输入电路内电路在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器，这种继电器体积大、动作慢、可靠性和寿命很有限。随着电子电器向小型化、微型化方向发展，对继电器提出了新的要求，干簧继电器作为一种新型继电器，在很多方面可满足这种发展的需要。与其它类型的继电器相比，这种继电器具有结构简单、体积小巧、灵敏度高、重量轻、功耗小、可靠性高等优点 [1]，目前已经被广泛应用于自动控制系统的诸多领域，如机械、汽车、电子、电力、石油、化工、办公自动化、通讯等工程中 [2]；特别在军事领域，高压干簧继电器是与国防现代化武器装备配套的关键元器件。随着武器装备向小型化、信息化、高可靠性和精确打击的战术需求发展以及国内高可靠性电子电器产品的市场需求不断增加，真空高压干簧管在各种信号控制装置上的使用量越来越大、使用频率越来越高。
一、干簧管的结构与工作原理
干簧管又称簧片开关或磁簧开关，它是由 Western Electric公司在 1940年发明的一种气密式密封的磁控机械开关 [3]，可以作为磁接近开关或者继电器使用，比一般机械开关体积小、速度高、工作寿命长，与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强的特点，工作可靠性很高。干簧管的结构一般有两种，具体如图 1所示。
干簧管内部由一对由磁性材料制造的弹性磁簧组成，磁簧密封于充有惰性气体的玻璃管中，磁簧端面互迭，但留有一条细间隙。磁簧端面触点镀有一层贵金属铑或钌，使开关性能稳定并延长使用寿命。
干簧管的工作原理如图 2所示。在无磁场作用时，玻璃管中的两个簧片是分开的。当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接
收稿日期：2007-2-9
文章编号：1006-7973(2007)03-0062-03
触，使两个引脚所接的电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开了。在实际运应用，
通常使用永久磁铁控制这两根金属片的接通与否，所以又被称为“磁控管”。
这种看似简单的结构却具有很多令人瞩目的优异性能，所以自其发明以来就在各种领域得到了广泛的应用。
图1 干簧管结构图
图2 干簧管工作原理
二、干簧管的生产特点
1．采用去活化触点
将铑用作触点材料，使得干簧管触点性能具有高可靠性。
作者简介：李丽云 女(1976—) 湖南机电职业技术学院机械工程系 助教 (415400)
第03期李丽云：干簧继电器研究现状与进展
作为触点材料的铑有两个非常好的特性，即高硬度和高熔点。高硬度能改善对粘附的阻抗，高熔点能在很大程度上降低触点表面功耗(由焦耳热或因电流影响的电弧放电而引起)，同时也改善对粘附的阻抗。然而，作为一个铂系金属，铑的表面有迅速的吸收功能和催化作用。铑电镀后能很容易吸收有机杂质，在操作过程中形成一层聚合物，增大触点电阻。这在低载荷水平工作时，特别显而易见。因而一般采用氧化处理方法以活化铑触点表面，用这种方法，粘附在表面的有机杂质同氧燃烧，氧分子被选择性地吸收，形成一个稳定的接触电阻，见图3。
图3对触点的去活化处理示意图
2．自动封口
封口发生在电镀的干簧管触点和玻璃管成为一体而形成
干簧管的那一时刻，是生产过程中最重要的步骤，它要求严
格的条件控制。在这个阶段，工作温度达到近 1000℃，引
起来自玻璃管和污染物的杂质的蒸发和造成干簧管触点部分
的损害，为了防止这些恶果，在选择材料中，必须采用严格
的标准，并应用一种自动封口的方法，来改善生产过程。
3．磁通扫描方法
尽管封口过程有严格控制，但仍有这种可能：诸如磁分
子这样的外来物质会进入玻璃管中。通过对微量杂质的探测
研究后，采用了高可靠的磁通扫描方法，如图 4。在磁通扫
描过程中，外部磁力移动以至于靠近干簧管的外来物质被迫
跳到触点部分，然后测量接触电阻作为特性选择的标准。通
过用最新的磁通扫描方法代替常规的肉眼检测，可显著改善
干簧管的可靠性。
图4磁通扫描方法检查接触电阻
4．质量控制
干簧管的生产必须在严格质量控制标准下进行，在干簧
管的制作过程中，每一主生产过程结束后，都要进行一次抽
样质量检查。
触点的电镀很重要，干簧管电镀中使用的是高纯度的去
离子水。触点电镀后再对其进行去活化处理，以获得一个标
准触点表面。
干簧管的封口，在一个充满自动封口机器的洁净的房间
里完成。封口结束后，进行一百万抽样连续开关动作寿命试
验和视觉检查。对整个产品进行漏泄试验进一步确保可靠性。
经过上述处理后，诸如吸合、释放安匝和接触电阻这样的电
特性都要抽样检查。
三、干簧管的性能特点
1)高可靠性：一般继电器的故障率制定为50ppm，因
此为满足这个要求，干簧开关的质量水平要比 50ppm的要
求高得多。可到目前为止，尚未有任何一个机电器件能够达
到这样的质量水平[3]。
2)高安全性：干簧管开关具有优良的绝缘性能。这种开
关的绝缘电阻最高可达 10 15Ω，也就是其漏电流可以达到
10-15A的水平。这样特低的漏电水平在医疗电子设备中有着
广泛的应用，比如插入人体的探针或心脏起博器，因为这些
设备要求不能有任何漏电流接近心脏，即使微安或亚微安的
电流就能改变心脏关键部位的电学性能。
3)高适应性：干簧传感器是密封的，由于干簧管的开关
组件被气密式密封于一惰性气体中，因此它不会与外界环境
接触，所以几乎能工作于任何环境而对湿度不敏感、不受外
界空气干扰等；同时干簧管对环境温度没有特殊的要求，具
有很广的温度适应能力：典型的工作温度范围可以从-50℃到
+150℃，且无需特别的附加条件、限制或费用。
4)超长寿命：因为干簧管是无磨损组件，没有采用滑动
组件，所以不会出现金属疲劳现象，确保实际上无极限的机
械使用寿命。同时，由于其用惰性贵金属铑做成的触点，熔
点高，能够减少电弧发电对触点表面的损耗，因此更能耐磨
损，能维持更长的工作寿命。一般的干簧管在低级负载(在
10mA时低于 5V及更低)下工作次数可达百万次(OKI系列
干簧管的寿命一般保证在 1亿次以上)。这相当于半导体微细
加工器件的数字。
5)结构紧凑、体积微小：干簧管能够安装在有限的空间，
很适用于微型化设备。目前干簧管的最小尺寸已经达到
Ф2.0×11.0mm。
6)优越的电性能：干簧开关具有一系列优异的电性能，
比如其触头在导通时有极低的导通电阻，典型值低到50mΩ；
其直接开关信号范围可以从几纳伏到上千伏，电流从飞安到
安，频率从直流到 6GHz等。
7)高速度操作：由于每一可动组件只具有非常小的重量，
因此操作速度很高，使干簧管成为能用于晶体管电路或集成
电路的一种组件。
四、干簧管的应用
经过几十年的发展，干簧管开关得到了一系列的改进。
由于这些引人注目的改进，干簧管开关逐渐成为某些要求质
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量、可靠性及安全为至上的苛刻应用场合中的首选。
干簧管的质量及可靠性最引人注目的应用是用于自动测
试设备(ATE)。干簧开关被用于干簧继电器，它应用于 IC、
ASIC、硅片的测试设备中及印制板测试设备中，作为开关。
在这些应用中，一个测试系统中干簧管继电器就可能达
20000个 [3]。
在手机、程控交换机、复印机、洗衣机、电冰箱、照相
机、消毒碗柜、电磁继电器、电子衡器、液位计、远传煤气
表\水表、IC卡煤气表\水表、电子煤气表\水表中都得到很
好的应用，电子电路中只要使用自动开关，基本上都可以使
用磁簧开关。因此，干簧管在通讯设备、测量仪表、家用电
器、安防系统、电子玩具等领域都有极大的应用潜力。
五、国内外干簧管研究开发与生产概况
到目前为止，全球著名的磁簧开关品牌有：日本艾礼富
(Aleph)、OKI、俄罗斯RZMKP、Lugana、美国SRC、
COP、COTO、Clare、德国 Schott以及中国上海无线电八
厂等制造商，其中又以日本 OKI的产品市场占有量为最大，
其规格之齐全，性能之稳定，举世公认。
我国目前尽管有生产干簧管的厂家，但是密封干簧管的
玻璃一般采用的是DB－404铂组电真空玻璃，这种玻璃在
应用上已不能满足实际的需要。这一方面是由于该种玻璃组
成中含有近30%的铅，而含铅玻璃在电子领域的应用已被欧
盟 RoSH指令明确禁止 [4]；另一方面在于这种玻璃无法满足
红外封接的性能要求。所以，目前我国干簧管用电真空玻璃
严重依赖于进口，然而，进口的玻璃材料由于其热膨胀系数
与国内的铁镍合金丝的膨胀系数不完全一致(如德国肖特公
司的干簧管玻璃的热膨胀系数无一例外为 8.7～8.9×10 -7/
℃)，经常导致产品的漏气和破坏[5]，严重阻碍了我国干簧继
电器的发展。
因此，我国在干簧继电器的开发应用以及组成材料的研
究方面相比国外还有较大的差距，而研究干簧管所需的电真
空玻璃成为其中的关键，最新文献表明，中南大学材料科学
与工程学院已经在干簧管所用材料方面有了很大突破[6-7]，目
前所研制的材料已提交相关厂家进行产品试制。
干簧继电器由于其独特的一系列优点使得其具有非常广
泛的用途，随着微电子技术的不断发展，对干簧继电器的要
求也越来越苛刻，不含铅等有毒物质、超小型、高可靠性的
继电器将成为市场新宠。