利用自旋电子学中的GMR效应的车辆探测装置的设想.ppt

1、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

2、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。,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

3、，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 ：,三GMR材料的外特性,外磁场的正负对GMR电阻的作用一样，

4、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 。,三GMR材料的外特性,加磁场 时，相当于磁滞线左移：,三GMR材料的外特性,加磁场 时，相当于磁滞线右移：,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,磁场向下为正,外磁场,四.惠斯通电桥,分析电路有： 又,四.惠斯通电桥,综上有： 所以，输出U正比于外磁场B,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,条形磁

5、铁通过时,探测器,微处理器,信号调理电路,获得有用信息！,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：,2,3,4,5,6,7,8,n,探测器,车流量,单车道车流量监测：,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,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。,U1,U2,行进方向,磁扰动的立体探测

6、：,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,沪R 023823,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R 023823 车型： 车主： ,七.对车辆身份

7、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