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。传统的车辆探测装置有：地磁线圈探测器超声波探测器雷达探测器红外探测器被动声音探测器视频探测器安装维护难、破坏路面、受冰冻盐碱影响、寿命短受空气影响、风速6级以上失效、容易误检成本太高易受灰尘、冰雾、雨雪等影响易受噪音干扰成本同样很高，且易受天气影响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（giantmagnetoresistance）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。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。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。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。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。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：B/Gs4000400R/Ω-300-1500150300三．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。B/Gs4000400R/Ω-300-1500150300三．GMR材料的外特性加磁场时，相当于磁滞线左移：B/Gs4000400R/Ω0150300-150-3000B三．GMR材料的外特性加磁场时，相当于磁滞线右移：B/Gs4000400R/Ω0150300-150-3000B四.惠斯通电桥采用惠斯通电桥可提高测量精度输出输入R1R2R1R2磁场向下为正输出输入R1R2R1R2B/GsR/ΩB/GsR/Ω磁场向下为正10RRkB20RRkB输出输入R1R2R1R2外磁场四.惠斯通电桥分析电路有：又2121inRRUURR10RRkB20RRkB四.惠斯通电桥综上有：所以，输出U正比于外磁场B0inkBUUR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。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BL0条形磁铁通过时探测器UT00inkBUUR微处理器信号调理电路UT0获得有用信息！UT0一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。探测器通过车辆数：1单车道车流量监测：2345678n探测器nt车流量单车道车流量监测：UT0探测器交通堵塞的监测：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。探测器dt车速车速的测量：探测器d车辆行进方向的测量：箭头代表该电桥探测的外磁场的正方向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。U1U2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。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。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。城市机动车数据库特征向量{x,y,z,…}车辆信息车牌号：沪R023823车型：×××车主：×××……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!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。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！[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参考文献：