利用自旋电子学中的利用自旋电子学中的 GMRGMR 效效应的车辆探测装置的设想应的车辆探测装置的设想

自动化系 自动化系 黄晓捷 黄晓捷 PB05210186PB05210186

指导老师：邵明指导老师：邵明

引言引言随着社会经济的飞速发展，城市交通面临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。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。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。高效的车辆探测器必不可少。

传统的车辆探测装置有：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

引言引言我们知道车辆会对它通过处地磁场产生扰我们知道车辆会对它通过处地磁场产生扰动。动。从自旋电子学中的从自旋电子学中的 GMRGMR （（ giant magnetogiant magnetoresistanceresistance ）效应，我们知道）效应，我们知道 GMRGMR 纳米结纳米结构多层膜的电阻随外磁场的变化而变化，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。出一种车辆探测器简单模型的设想。

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

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

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

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

三．三． GMRGMR 材料的外特性材料的外特性外加磁场中外加磁场中 GMRGMR 材料的电阻与磁场的典型材料的电阻与磁场的典型关系 ：关系 ：

B/Gs

4000

400

R/Ω

-300 -150 0 150 300

三．三． GMRGMR 材料的外特性材料的外特性外磁场的正负对外磁场的正负对 GMRGMR 电阻的作用一样，如电阻的作用一样，如要进一步区分磁场的方向，可以给要进一步区分磁场的方向，可以给 GMRGMR 一一个永磁偏置 ，即给它先施加一磁场 。个永磁偏置 ，即给它先施加一磁场 。

B/Gs

4000

400

R/Ω

-300 -150 0 150 300

三．三． GMRGMR 材料的外特性材料的外特性加磁场 时，相当于磁滞线左移：加磁场 时，相当于磁滞线左移：

B/Gs

4000

400

R/Ω

0 150 300-150-300

0B

三．三． GMRGMR 材料的外特性材料的外特性加磁场 时，相当于磁滞线右移：加磁场 时，相当于磁滞线右移：

B/Gs

4000

400

R/Ω

0 150 300-150-300

0B

四四 .. 惠斯通电桥惠斯通电桥采用惠斯通电桥可提高测量精度 采用惠斯通电桥可提高测量精度

输出输出输入输入

R1R1 R2R2

R1R1 R2R2

磁场向下为正磁场向下为正

输出输出输入输入

R1R1 R2R2

R1R1 R2R2

B/Gs

R/Ω

B/Gs

R/Ω

磁场向下为正磁场向下为正

1 0R R kB 2 0R R kB

输出输出输入输入

R1R1 R2R2

R1R1 R2R2

外磁场外磁场

四四 .. 惠斯通电桥惠斯通电桥分析电路有：分析电路有：

又又

2 1

2 1in

R RU U

R R

1 0R R kB

2 0R R kB

四四 .. 惠斯通电桥惠斯通电桥综上有：综上有：

所以，输出所以，输出 UU 正比于外磁场正比于外磁场 BB

0in

kBU U

R

五五 .. 车辆通过对地磁场的影响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地磁的扰动可看作多个双极性磁铁组成的模型。模型。这里为讨论方便，仅以条形磁铁为模型，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。 讨论它通过时对均匀场的影响。

五五 .. 车辆通过对地磁场的影响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 水平放置的条形磁铁磁场分布的侧视图

BB

LL

00

条形磁铁通过时 条形磁铁通过时

探测器探测器

UU

TT

00

0in

kBU U

R

微处理器微处理器

信号调理电路信号调理电路

UU

TT

00

获得有用信息！获得有用信息！

UU

TT

00

一个电桥可以探测一维的信息，用单电桥即可实现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 。车流量、车道占用率、交通堵塞的监测 。

探 测探 测器器

通过车辆数：通过车辆数：

11

单车道车流量监测：单车道车流量监测：

22334455667788nn

探 测探 测器器

n

t车流量车流量

单车道车流量监测：单车道车流量监测：

UU

TT

00

探 测探 测器器

交通堵塞的监测交通堵塞的监测：：

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

探 测探 测器器

d

t车速车速

车速的测量车速的测量：：

探 测探 测器器 d

车辆行进方向的测量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。进方向的附加磁场。

U1

U2 行进方向行进方向

磁扰动的立体探测磁扰动的立体探测：：

立体探测可获取车辆的更多信息，可能实现车辆身份识别。立体探测可获取车辆的更多信息，可能实现车辆身份识别。

七七 .. 对车辆身份识别的设想对车辆身份识别的设想由指纹识别、虹膜识别、由指纹识别、虹膜识别、人脸识别，获得灵感 。人脸识别，获得灵感 。世界上没有两片叶子是一世界上没有两片叶子是一样的 ，每一辆车对地磁的样的 ，每一辆车对地磁的扰动是不同的 。扰动是不同的 。关键在于提取特征量，并关键在于提取特征量，并在技术上实现对这种特征在技术上实现对这种特征量的准确探测。 量的准确探测。

七七 .. 对车辆身份识别的设想对车辆身份识别的设想

沪R 023823相对易实现的方法：相对易实现的方法：

在每一辆车的车牌上在每一辆车的车牌上嵌入特征磁物质 ，车嵌入特征磁物质 ，车辆通过探测器时的磁辆通过探测器时的磁扰动产生特征性的差扰动产生特征性的差异 。异 。一辆车对应一个特征一辆车对应一个特征值 。值 。特征值与车牌号绑定 。特征值与车牌号绑定 。构建城市机动车数据构建城市机动车数据库。库。

城市机动车数据库

特征向量

{x , y , z , …}车辆信息车辆信息

车牌号：沪车牌号：沪 R 023823R 023823

车型：车型： ××××××

车主：车主： ××××××

…………

七七 .. 对车辆身份识别的设想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理系统，效率将得到极大提高 ! !

结语 结语 粗略地介绍了利用粗略地介绍了利用 GMRGMR 效应设想的一种车效应设想的一种车辆探测器。 辆探测器。 具有体积小、灵敏度高、安装方便、寿命具有体积小、灵敏度高、安装方便、寿命长、环境适应性强的优点。 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。 型，可能有不严谨之处。

结语结语按照按照 GMRGMR 电阻的发展方向，电阻的发展方向， GMRGMR 材料的磁材料的磁灵敏度必将不断提高，对于磁场的探测精度灵敏度必将不断提高，对于磁场的探测精度也将逐渐提高。 也将逐渐提高。 GMRGMR 效应的应用将会随着自旋电子学、材料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 。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，更学、电信学的革命，实现量子信息时代，更会让我们兴奋不已！ 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：参考文献：