磁簧開關

1936年，貝爾電話實驗室的沃爾特.埃爾伍德（Walter B.Ellwood）發明了磁簧開關，並於1940年6月27日在美國申請專利，專利號為2264746。

基本型式是將兩片磁簧片密封在玻璃管內，兩片雖重疊，但中間間隔有一小空隙。當外來磁場時將使兩片磁簧片接觸，進而導通。一旦磁體被拉到遠離開關，磁簧開關將返回到其原來的位置。

磁簧開關是由兩片磁簧片(通常由鐵和鎳這兩種金屬所組成的)密封在玻璃管內。兩片磁簧片呈重迭狀況但中間間隔有一小空隙，外來適當的磁場將會使兩片磁簧片接觸。

這兩片簧片上的觸點鍍有層很硬的金屬，通常都是銠和釕，這層硬金屬大大提升了切換次數的壽命。玻璃管內通常注入了氮氣或一些相等的惰性氣體，而部份磁簧開關為了提升切換電壓的性能，更會把內部做成真空狀態。

磁簧開關的工作原理非常簡單，兩片端點處重疊的可磁化的簧片(通常由鐵和鎳這兩種金屬所組成的)密封於一玻璃管中，兩簧片呈交迭狀且間隔有一小段空隙(僅約幾個微米)，這兩片簧片上的觸點上鍍有層很硬的金屬，通常都是銠和釕，這層硬金屬大大提升了切換次數及產品壽命。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體(如氮氣)，部份干簧開關為了提升其高壓性能，更會把內部做成真空狀態。

簧片的作用相當與一個磁通導體。在尚未操作時，兩片簧片並未接觸；在通過永久磁鐵或電磁線圈產生的磁場時，外加的磁場使兩片簧片端點位置附近產生不同的極性,當磁力超過簧片本身的彈力時，這兩片簧片會吸合導通電路；當磁場減弱或消失后,干簧片由於本身的彈性而釋放，觸面就會分開從而打開電路。

基本的全密封形態Form A(常開)干簧開關的基本結構與組件

上圖描述的是Form A(常開(N.O.)或單刀單擲(SPST)干簧開關。Form B是代表一個常閉開關，Form C(單向雙擲(SPDT))是代表一個開關帶有一個共用簧片，一個常開片和一個常閉片(見圖1)。

Form C(單刀雙擲(SPDT)三個簧片的干簧開關的基本結構

可切換的簧片，在沒有磁場時是與常閉片接觸，當足夠強度的磁場產生時,該簧片會移向常開片，而常開片與常閉片都是固定不動的。這兩固定片與可擺動切換的簧片均為鐵磁片，只是常閉的干簧片觸點表面部份是由非磁性的金屬熔焊於干簧片上的。置於磁場下時，兩旁位於常開與常閉的固定片具相同極性，且和可擺動簧片極性相反，常閉端的非磁性金屬會隔離磁通，因此當常開端與可擺動簧片之間的磁力夠大時,擺動簧片將與常開片接觸閉合。

通常有兩種方式可以令磁簧開關的干簧片吸合：

● 使用永久性磁鐵如圖2所示，干簧開關在永久磁鐵產生的磁場下之基本操作情況，兩簧片呈相反極性而在兩簧片間產生足夠的吸力而互相接觸

● 使用外加線圈

如圖3所示：將磁簧開關放置在線圈中心軸位置，磁場在這部份是最強的兩干簧片呈相反極性，在兩簧片間產生足夠的吸力而互相接觸。當有一個永久磁鐵接近干簧開關時，此兩片簧片會被磁化成可相互吸引的不同極性，當磁場夠大時，可讓兩簧片間產生足夠的吸引力而互相接觸。干簧片都是經過回火處理的，以便消除剩磁，所以當磁場退去后，在干簧片上的磁場隨即消失。如果有任何殘留的磁力存在於干簧片上，干簧開關的特性就會改變，在製造過程中，適當的製程和退火處理是非常重要的。

根據磁簧開關這種特性，磁簧開關可做成非常小尺寸體積的切換組件，並且切換速度非常快速、且具有非常優異的信賴性。永久磁鐵的方位和方向確定何時以及多少次開關打開和關閉。

優點

● 觸點與惰性氣體一起密封在玻璃管內，不會受到外部氣氛的影響。

● 動作回答速度迅速。

● 動作系統和電路都位於相同的軸上，適宜使用於高頻率傳輸的應用產品。

● 小型，重量輕。

● 觸點具有優越的耐蝕性和耐磨損性，使用壽命長，可獲得穩定的開關動作。

● 與永久磁鐵組合，就能經濟簡易地構成非接觸式開關。

缺點

● 磁簧開關觸點和簧片是相當小而精緻的，不適合處理大的電壓或電流導致的簧片引發切換。磁簧開關提供開關典型的電壓和電流額定值。僅在操作的繼電器線圈與磁簧開關的繼電器電路切換高電流才是必要的。

● 故障排查工序多。故障干簧管需要用專用儀器（如AT值測試器、絕緣耐壓測試器、內阻測試器等）檢測。

● 不適合誤差範圍小的產品設計中：AT值範圍大，從成本角度考慮不能保證批量產品的AT值都相同，並且配套磁石也不盡相同。

● 磁簧開關加工損耗大。磁簧開關采玻璃封裝，在運送和加工過程中容易受損，影響產品及壽命。

簧片觸點

良好的電氣連接是通過對兩個簧片的接觸部分進行鍍一層很厚的非磁性貴金屬來實現的，低電阻率的銀比耐腐蝕的金更適合做為鍍層材料.同樣也有使用水銀的濕簧管，濕簧管的觸點必須成對安裝使用。

磁簧開關簧片觸點構造

● 兩個簧導線製成鎳/鐵（鎳鐵）合金（52%的鎳）。

● 受影響的，通過磁場的磁簧引線必須是鐵磁性的。

● 三種最流行的材料性質，容易退火的鐵磁性：鐵，鈷和鎳。

● 兩個簧片觸點的尖端是鍍或濺射銠，釕或銥。

觸點材料

● 銠觸點鍍銠觸點最常使用。這種觸點從低負荷至重負荷具有非常穩定的工作特性和很長的工作壽命，這是因為銠具有高熔點及高硬度的性能。

● 水銀接點水銀接點磁簧開關具有無跳動操作特點，因此不需要額外的抑制跳動電路。它們具有大功率開關能力、很低且穩定的接觸阻抗特性以及工作壽命長的特點。他們亦可以用於高浪涌電流的開關。

● 釕觸點釕的硬度比銠更高。鍍銠觸點具有較好的機械磨損及熱損耗特性，但僅用於小負載的開關。因為釕的這些特點，華壬電子已成功開發了氧化釕覆蓋於銠或者鉑上面的雙鍍觸點。這些雙鍍觸點自低負荷至重負荷均具有極良好的開關特性。

玻璃密封性

● 用於玻璃管的外封裝，其溫度膨脹係數（TCE）完全匹配的NiFe合金。

● 在玻璃管的兩端部被加熱和玻璃熔化，形成氣密密封涵蓋兩端。

● 在玻璃封接過程中玻璃腔通常是填充有惰性氣體（通常為氮氣）或腔體，可能會產生真空，抽真空。該真空通常支持高電壓開關（超過1000伏特）。

工作特性

● 吸合（PI）是打開磁簧開關接觸點

● 斷開（Do）磁簧開關接觸點斷開點

● 大多數公司測量安培匝（AT）的簧片開關，也有公司使用毫特斯拉（mT）作為磁測量單位。

激勵形式

激勵磁簧開關最常用的方法就是用一塊磁鐵。

典型的激勵形式

● 水平激勵

● 垂直激勵

● 橫向激勵

● 旋轉激勵

選擇

一般來說，用於磁簧開關（干簧管）的磁鐵選擇需要考慮不同的應用因素，如工作溫度、退磁效應、磁場強度、環境特性、運動以及用途等。

NdFeB釹鐵硼

● 最高能源產品

● 非常高remanance矯頑力

● 價格相對較低

● 機械強度比釤鈷

● 某些級別可使用至200°C

● 不建議在氫氣

● 粘結方式可機械加工，但並非螺紋

SmCo釤鈷

● 高磁能積

● 適合高性能應用

● 高抗退磁

● 優良的熱穩定性

● 高耐腐蝕性

● 最昂貴的磁鐵

● 最多可以使用到300°C

● 易切削-不應該作為一個結構

AlNiCo鋁鎳鈷

● 比稀土磁鐵便宜

● 最高工作溫度為550℃

● 最低溫度係數

● 相對於其他類型低矯頑力

● 高感應水平

Ferrites鐵氧體

● 脆

● 熱穩定性差

● 最便宜所有類型

● 最多可以使用到300°C

● 需要研磨，以滿足嚴格的公差

● 高耐腐蝕性

磁簧開關是一項獨特的技術，全密封的特性使得它可以在幾乎所有環境下使用。磁簧開關的結構雖然簡單但是其製作加工過程中卻包含了多項工藝。這些年來，磁簧開關的尺寸已經由大約50毫米(2寸)發展到細如6毫米(0.24寸)，這些小的尺寸的出現使它能應用到更多領域中，尤其滿足了射頻和快速時域的需求。

磁簧開關的性能如下：

● 能夠切換高達10,000伏

● 能夠切換高達5安培

● 能夠切換或者負載低至10nanoVolts（納伏）而沒有信號損失

● 能夠切換或者負載低至1femptoAmps(毫微微安)而沒有信號損失

● 能夠切換或者負載高達6GigaHertz(十億赫茲)而只有少量的信號損失

● 觸點間絕緣為10Ω

● 接觸電阻通常為50milliOhms（毫歐）(mΩ)

● 在常開的情況下無需耗費任何能源或電力能夠提供雙穩態功能

● 操作時間範圍100μs至300μs

● 能在從-55°C至200°C的極端的溫度範圍下使用

● 能夠於各種環境下操作。包括空氣中，水中，真空中，油中，燃料中和含塵環境

● 能夠承受高達200Gs撞擊力

● 在高達30Gs（高斯）的磁感應強度下能承受50Hz至2000Hz的震蕩

● 使用壽命長，在5伏10毫安工作條件下，可以操作達十億次

磁簧開關在家電、汽車、通訊、工業、醫療、安防等領域得到了廣泛的應用。簡單說明一下磁簧開關在磁簧繼電器和干簧感測器的應用。

磁簧繼電器

● 放置一個線圈周圍的磁簧開關，使電流通過的線圈相當於一個永久磁鐵產生的磁場。

● 交換機周圍放置一個同軸屏蔽，使高頻信號被切換到20GHz。

● 因為干簧開關無易損件，觸點可切換低電平信號。

● 干簧繼電器被廣泛用於整個測試測量領域。

● 測試系統，矩陣，RF，數據機，報警器，非常適合用於磁簧繼電器：1、高循環計數2、高電壓應用3、低電流，低電壓開關

干簧感測器

● 使用磁簧開關，干簧感測器可以感知各類機芯採用永久磁鐵。

● 干簧開關在開啟狀態下汲取電流為零，這使他們在節能設備應用中成為理想的選擇。

● 即使當空氣、塑料和金屬分離，磁體是可應用的

● 磁鐵和磁簧開關一般分為物理外罩或其他障礙物隔開。

● 干簧感測器用於檢測運動，計數，檢測液面高度，液位測量，開關惡劣的環境下，植入設備等。