利用自旋电子学中的 GMR 效应的车辆探测装置的设想

1. 利用自旋电子学中的GMR效应的车辆探测装置的设想利用自旋电子学中的GMR效应的车辆探测装置的设想 自动化系 黄晓捷 PB05210186 指导老师：邵明

2. 引言 • 随着社会经济的飞速发展，城市交通面临巨大的压力。为了解决这个问题，现在大家都在研究智能交通系统。 • 采集路况信息是其中重要的一环。 • 高效的车辆探测器必不可少。

3. 传统的车辆探测装置有： 安装维护难、破坏路面、 受冰冻盐碱影响、寿命短 地磁线圈探测器 超声波探测器 受空气影响、风速6级以上失效、容易误检 雷达探测器 成本太高 红外探测器 易受灰尘、冰雾、雨雪等影响 被动声音探测器 易受噪音干扰 视频探测器 成本同样很高，且易受天气影响

4. 引言 • 我们知道车辆会对它通过处地磁场产生扰动。 • 从自旋电子学中的GMR（giant magnetoresistance）效应，我们知道GMR纳米结构多层膜的电阻随外磁场的变化而变化，且有很高的灵敏度。下面利用该原理，提出一种车辆探测器简单模型的设想。

5. 一.自旋电子学 • 电子除了具有电荷的特性，还具有自旋的特性。 • 传统的电子学和电子技术 ，仅利用电场来控制它的电荷特性 。 • 今天的信息时代是人类文明的极大进步 。 • 但是，今天的电子学即将达到它的技术极限。

6. 一.自旋电子学 • 上个世纪末，大家将目光投向了电子的自旋特性，试图通过电子的自旋控制电子的输运。 • 制造新型自旋电子器件，取代传统电子器件，获得高运算速度、低功耗、高集成度，高稳定性。 • 自旋电子学应运而生，又称磁电子学，是一门磁学和微电子学交叉的新学科。

7. 二.GMR效应 • GMR效应即巨磁电阻效应可用如下的简易模型解释。 • 由量子理论知，铁磁材料中电子的能带分成两个子带，自旋向上子带和自旋向下子带。 • 不同自旋取向的电子在界面处所受到的散射是不同的。

8. 二.GMR效应 • 自旋取向与铁磁层磁化方向相同时，电子所受到的散射较小，而另一种电子受到散射较大。 • 相邻铁层的磁化方向是反向平行时，系统处于高电阻状态 。 • 外磁场较大时 ，所有铁层的磁化方向都和外场一样 ，系统处于低电阻状态。

9. R/Ω 4000 400 B/Gs -300 -150 0 150 300 三．GMR材料的外特性 • 外加磁场中GMR材料的电阻与磁场的典型关系 ：

10. R/Ω 4000 400 B/Gs -300 -150 0 150 300 三．GMR材料的外特性 • 外磁场的正负对GMR电阻的作用一样，如要进一步区分磁场的方向，可以给GMR一个永磁偏置 ，即给它先施加一磁场 。

11. R/Ω 4000 400 B/Gs -300 -150 0 150 300 三．GMR材料的外特性 • 加磁场 时，相当于磁滞线左移：

12. R/Ω 4000 400 B/Gs -300 -150 0 150 300 三．GMR材料的外特性 • 加磁场 时，相当于磁滞线右移：

13. R1 R2 输入 输出 R1 R2 四.惠斯通电桥 • 采用惠斯通电桥可提高测量精度 磁场向下为正

14. R/Ω R/Ω R1 R2 输入 输出 B/Gs B/Gs R1 R2 磁场向下为正

15. R1 R2 输入 输出 R1 R2 外磁场

16. 四.惠斯通电桥 • 分析电路有： • 又

17. 四.惠斯通电桥 • 综上有： • 所以，输出U正比于外磁场B

18. 五.车辆通过对地磁场的影响 • 在小范围内地磁场可看作均匀的，汽车对地磁的扰动可看作多个双极性磁铁组成的模型。 • 这里为讨论方便，仅以条形磁铁为模型，讨论它通过时对均匀场的影响。

19. B 0 L 五.车辆通过对地磁场的影响 • 水平放置的条形磁铁磁场分布的侧视图

20. U 0 T • 条形磁铁通过时 探测器

21. U 0 T 微处理器 信号调理电路 获得有用信息！

22. U • 0 • T 一个电桥可以探测一维的信息，用单电桥即可实现车流量、车道占用率、交通堵塞的监测 。 单车道车流量监测： 探测器 通过车辆数： 1 n 2 3 4 5 6 7 8

23. 单车道车流量监测： 探测器 车流量

24. U • 0 • T 交通堵塞的监测： 探测器

25. 六.多电桥组合探测 • 通过多个电桥的组合探测，辅以科学高效的算法，可实现多种功能。

26. 车速的测量： 探测器 探测器 d 车速

27. 车辆行进方向的测量： 汽车对地磁场的扰动具有方向性 为进一步简化模型，这里将汽车的扰动看作方向为汽车行进方向的附加磁场。 行进方向 U2 U1 箭头代表该电桥探测的外磁场的正方向

28. 磁扰动的立体探测： 立体探测可获取车辆的更多信息，可能实现车辆身份识别。

29. 七.对车辆身份识别的设想 • 由指纹识别、虹膜识别、人脸识别，获得灵感 。 • 世界上没有两片叶子是一样的 ，每一辆车对地磁的扰动是不同的 。 • 关键在于提取特征量，并在技术上实现对这种特征量的准确探测。

30. 七.对车辆身份识别的设想 相对易实现的方法： • 在每一辆车的车牌上嵌入特征磁物质 ，车辆通过探测器时的磁扰动产生特征性的差异 。 • 一辆车对应一个特征值 。 • 特征值与车牌号绑定 。 • 构建城市机动车数据库。 沪R 023823 特征向量 {x , y , z , …} 车辆信息 车牌号：沪R 023823 车型：××× 车主：××× …… 城市机动车数据库

31. 七.对车辆身份识别的设想 • 建立在车辆身份识别基础上的交通监控管理系统，效率将得到极大提高!

32. 结语 • 粗略地介绍了利用GMR效应设想的一种车辆探测器。 • 具有体积小、灵敏度高、安装方便、寿命长、环境适应性强的优点。 • 限于知识水平，运用了许多简易理想的模型，可能有不严谨之处。

33. 结语 • 按照GMR电阻的发展方向，GMR材料的磁灵敏度必将不断提高，对于磁场的探测精度也将逐渐提高。 • GMR效应的应用将会随着自旋电子学、材料科学、信息科学研究的深入越来越普遍 。 • 自旋电子器件替代传统电子器件，掀起电子学、电信学的革命，实现量子信息时代，更会让我们兴奋不已！

34. 参考文献： [1] 磁电子学 浙江大学出版社 [2] 游彪等 自旋电子学的发展及应用 科技进展2006 [3] 陈光华 邓权祥 新型电子薄膜材料 化学工业出版社 [4] 季海滨 车辆探测器的实现技术 红外 [5] 朱涛 自旋－21世纪信息的新载体 基础科学 [6] 颜冲等 自旋电子学研究进展 固体电子学研究与进展 [7] 汤玉林等 利用GMR效应的电子指南针 数据采集与处理

35. 谢谢！ 祝大家新年快乐！