TW202336635A - 組配來儲存物品之容器 - Google Patents

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Abstract

方法包括接收來自一使用者裝置之下載一應用程式之一請求以及回應於該請求而提供對該應用程式之存取。該應用程式經組態以傳輸一第一電磁輻射且自貼附至產品包裝之一電磁狀態感測裝置(EMSSD)接收一第一電磁輻射回覆信號。該第一電磁輻射回覆信號由該EMSSD轉換以產生一電磁輻射信號，該電磁輻射信號對包含一產品識別碼之第一資訊進行編碼。該應用程式亦經組態以：應用基於該產品識別碼來選擇之一規則；傳輸基於該規則來調諧之一第二電磁輻射ping命令；自該EMSSD接收一第二電磁輻射回覆信號，該第二電磁輻射回覆信號對與該產品包裝內之內容物有關之第二資訊進行編碼；並且自該使用者裝置將該第二資訊之一部分發送至一上游計算裝置。

Description

組配來儲存物品之容器
相關申請案
本申請案主張2019年8月2日申請之標題為「ELECTROMAGNETIC STATE SENSING DEVICES」之美國非臨時專利申請案第16/530,173號之優先權權益，該美國非臨時專利申請案主張2018年8月9日申請之標題為「PRODUCT SENSING」之美國專利申請案第62/716,741號之優先權權益，該等申請案以全文引用的方式併入本文中。
本發明係有關於電磁狀態感測裝置。
感測器廣泛用於諸多目的，諸如用於跟蹤商店內之庫存及/或用於在製造及履行鏈中端對端地對組件進行監控。感測裝置通常利用電磁信號來接收且發送資訊。例如，射頻識別(RFID)標籤將資訊發送至RFID讀取器，其中在被動式RFID標籤之情況下，標籤利用來自詢問信號之能量為標籤供電且將信號發送回到讀取器。使用電磁感測裝置之習知技術表現出諸多缺點，因此，需要的是解決此類缺點之一或多種技術。
在一些實施例中，方法包括接收來自使用者裝置之下載應用程式之請求，以及回應於來自使用者裝置之請求而提供對應用程式之存取。應用程式經組態以傳輸第一電磁輻射且自貼附至產品包裝之第一電磁狀態感測裝置(EMSSD)接收第一電磁輻射回覆信號。第一電磁輻射回覆信號由第一電磁狀態感測裝置回應於第一電磁輻射ping命令進行轉換以產生電磁輻射信號，該電磁輻射信號至少對包含產品識別碼之第一資訊進行編碼。應用程式亦被組態以：應用至少部分地基於產品識別碼來選擇之規則；傳輸至少部分地基於該規則來調諧之第二電磁輻射ping命令；自第一電磁狀態感測裝置接收第二電磁輻射回覆信號，該第二電磁輻射回覆信號對與產品包裝內之內容物有關之第二資訊進行編碼；並且自使用者裝置將第二資訊之至少一部分發送至上游計算裝置。
在本文中且在附圖及申請專利範圍中闡述了技術實施例之態樣、目標及優點之進一步細節。
本揭示內容之各態樣解決與如何廉價地部署狀態感測器相關聯之問題。一些實施例涉及用於印刷感測裝置之方法，該等感測裝置不僅可發射識別資訊，而且可發射產品狀態資訊。 概述
自電子商務誕生以來，就使用各種用於識別處於其包裝中之產品之方法。然而，僅僅識別產品在特定位置及時間之存在未能解決消費者對在消費者之居所、汽車、船等中或附近的產品之持續、自動的狀態檢查之需要。
遺憾的是，習知射頻識別符(RFID)及習知近場標籤皆不能提供此資訊。需要的是新型感測裝置，其不僅能夠以可由行動讀取器或固定掃描儀讀取之方式發射識別資訊，而且能夠發射產品狀態資訊。
只要存在以包裝形式遞送之產品，就使用各種用於識別處於其包裝中之產品之方法。在條碼之最早期，將「標誌及間隔(mark and space)」符號印刷至包裝上。然後，經由使用符號讀取器(例如，條碼讀取器/掃描儀)，可識別特定產品。在包裝上印刷此類符號係非常廉價的，且符號讀取器足夠廉價以致於可與例如收銀機一起部署且整合至其中。當此種符號讀取器及對應的收銀機進一步與中央電腦系統介接時，可對一件經唯一識別之產品之購買進行計數。可促進庫存核算、訂貨、產品補貨及正在進行之商務之其他功能，在某些情況下無需人為干預。
然而，在某些情況下，將此類條碼印刷至產品包裝上係不可能且/或不方便的，且/或在某些情況下，部署讀取器係不可能或不方便的。在此類情況下，可將射頻識別符(RFID)貼附至產品或其包裝或者嵌入其中。當產品(連同其貼附或嵌入之RFID一起)靠近RFID讀取器時，可對存在進行計數。可製造給定的RFID，以便在藉由「ping命令」刺激時發射唯一識別符。唯一識別符可具有任何數目個位元，因此唯一識別符可與特定產品相關聯。因此，可促進產品補貨及其他商務功能。
遺憾的是，僅僅識別產品或僅僅識別所識別產品之特定存在及位置具有局限性。例如，雖然在收銀機或出口處感測產品可為有價值之資訊(例如，用來偵測一件產品之購買，或用來偵測一件產品之移動)，但感測關於該特定一件產品之更多資訊(例如，狀態)有時係有價值的。
已經進行一些嘗試以藉由在產品包裝上印刷感測裝置且對感測裝置「發出ping命令」以收集關於內容物之資訊來感測內容物之特性。然而，此類感測裝置僅限於量測環境變數，諸如濕度、溫度等。因此，對感測關於該特定一件產品之更多資訊(例如，狀態)之需要仍未實現。
例如，知道容器有多滿可能係有用的。或者，知道容器是否洩漏，或者內容物是否腐化、腐爛或出於其他原因散發出氣體等可能係有用的。由於需要定期更新關於複數件不同產品之狀態資訊，此情況進一步複雜化。例如，在家庭情況下，可能需要定期更新在消費者穿過他或她的住所(或汽車、或船等)時遇到之任何或所有產品之狀態資訊(例如，數量、效力、陳舊等)。
習知RFID及習知近場標籤皆不能提供所需資訊。需要的是促進自新型感測裝置進行收集之系統，該等感測裝置不僅可發射識別資訊，而且可發射產品特定之狀態資訊。 圖之定義及用途
下文中定義在本說明書中使用之一些術語以便於參考。所呈現之術語及其相應定義不嚴格限於此等定義—術語可藉由該術語在本揭示內容中之用途來進一步定義。術語「例示性」在本文中用於意謂充當實例、例子或說明。在本文中被闡述為「例示性」之任何態樣或設計不一定被解釋為相比其他態樣或設計係較佳的或有利的。實情為，使用措詞例示性意欲以具體方式呈現概念。如本申請案及附隨申請專利範圍中所使用，術語「或」意欲意謂包含性「或」而非排他性「或」。亦即，除非另外規定，或者從上下文中顯而易見，否則「X使用A或B」意欲意謂自然包含性排列中之任一者。亦即，若X使用A，X使用B，或者X使用A及B兩者，則在前述情況中之任一者下都滿足「X使用A或B」。如本文中所使用，A或B中之至少一者意謂至少一個A、或至少一個B、或A及B兩者中之至少一者。換言之，此片語係析取性的。如本申請案及附隨申請專利範圍中所使用之冠詞「一」一般應理解為意謂「一或多個」，除非另外規定或從上下文中顯而易見係針對單數形式。
本文中參考附圖闡述各種實施例。應注意，附圖不一定按比例繪製，並且貫穿附圖有時用相同參考字符表示具有相似結構或功能之元件。亦應注意，附圖僅意欲促進所揭示實施例之闡述—它們不代表對所有可能的實施例之窮舉處理，並且它們不意欲對申請專利範圍之範疇進行任何限制。另外，所示出之實施例不需要繪示在任何特定環境中使用之所有態樣或優點。
結合特定實施例闡述之態樣或優點不一定限於該實施例，並且可在任何其他實施例中實踐，即使未如此示出。在本說明書全篇中對「一些實施例」或「其他實施例」之參考係指結合該等實施例闡述之特定特徵、結構、材料或特性包括於至少一個實施例中。因此，片語「在一些實施例中」或「在其他實施例中」在本說明書全篇中各個地方之出現不一定係指相同的一或多個實施例。所揭示之實施例不意欲限制申請專利範圍。 例示性實施例之闡述
圖 1繪示可在其中部署電磁狀態感測裝置之環境100。作為選擇，環境100或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。
圖1示出與印刷感測裝置有關之態樣，該等印刷感測裝置不僅可發射識別資訊，而且可發射產品狀態資訊。具體而言，該圖係關於其對於解決如何廉價地部署狀態感測器之問題所做的貢獻來呈現的。更具體而言，圖1繪示其中可藉由電磁狀態感測裝置(EMSSD)來感測數量值且將其中繼傳遞至計算站點以進行資料處理的環境。「電磁」將用於意謂以相對低的頻率(例如，125 kHz)或以較高的射頻(13.6 MHz)或更高的頻率傳播之信號。
如圖所示，用ping命令刺激感測器(例如，感測器101 1、感測器101 2及感測器101 3)。受激感測器發射共振簽章，該共振簽章表徵處於其對應容器內之產品之一或多個態樣。繪示若干不同的容器類型及若干不同的容器態樣。
例如，可藉由智能手機(或其他類型之行動裝置)發出ping命令。具體而言，行動裝置(例如，智能手機)上之應用程式(「app」，即軟體應用程式、電腦程式、電腦可讀媒體)可控制電磁發射器裝置驅動程式(例如，近場通信(NFC)裝置驅動程式)，該電磁發射器裝置驅動程式繼而可致使電磁發射器裝置發出ping命令。因此，可控制ping命令之頻率、持續時間及形狀。在藉由ping命令激發時，附近感測器共振且發射簽章，該簽章對與在其容器內之產品之態樣有關的資訊進行編碼。將與在其容器內之產品之態樣有關的資訊重新格式化且向上游中繼傳遞以進行進一步處理。在一些實施例中，且如圖所示，可選路發送被重新格式化且向上游中繼傳遞之資訊，以便經由網際網路或內部網路108進行通信，以進行額外的感測器資料處理。
諸多不同類型或組態之EMSSD可應用於產品包裝。如圖所示，類型1 EMSSD 101 1可應用於類型1容器，類型2 EMSSD 101 2可應用於類型2容器，並且類型3 EMSSD 101 3可應用於類型3容器。此類容器可為用來容納液體(例如，清潔劑、酒精、燃料、牛奶等)之器皿(例如，類型1容器，諸如由塑膠或玻璃製成之壺或瓶子)。或者，容器可為用來容納任何內容物之紙箱(例如，類型2容器，諸如硬紙板或紙板箱，其可塗有或可不塗有塑膠材料)。此外，容器可為被設計來容納某種特定產品(諸如藥品)之專用容器(例如，類型3容器，諸如藥瓶、鉸接盒、滴瓶)。前述容器中之任一者可在任何環境中呈現。
嚴格地說，作為一個實例，可在家庭環境中找到前述不同類型之容器。因此，消費者可走過他或她的住所，並且在行走過程中，行動裝置將發射電磁ping命令且捕獲電磁回覆。可被控制以發射電磁輻射之任何一或多個使用者裝置117可發射ping命令且捕獲回覆信號。
如所繪示，使用者裝置117可為類型1行動裝置131(例如，iOS手機)，或者使用者裝置117可為類型2行動裝置132(例如，Android手機)，或者使用者裝置117可為詢問器裝置133之固定實例(例如，固定的RFID讀取器)，諸如可位於配膳室或藥櫃中。此類使用者裝置或變型中之任一者可組態有可執行碼(例如，應用程式)，該可執行碼直接或間接地控制電磁發射裝置，諸如所示之NFC裝置(使用者裝置117)。任何數目個使用者裝置可大致在任何EMSSD附近，並且每個使用者裝置發射ping命令且捕獲回應。若ping命令及回應碰巧同時發生並且彼此非常接近，則每個應用程式(例如，應用程式137 1、應用程式137 2及應用程式137 3)可識別衝突且重試ping命令，從而實施衝突偵測、多重存取協定。
在本揭示內容中，可基於由系統識別之產品之類型將ping命令調諧至各種頻率，而不需要人類交互。在所示實例中，ping命令102 1係以對應於第一RFID頻率之第一頻率發射。EMSSD 101 1之第一部分用回覆103 1(即，諸如「PID1」之電磁信號)對該ping命令作出回應，該回覆對與產品及/或容器類型相對應之值(例如，1及0之字串)進行編碼。在給定該編碼值的情況下，應用程式137 1可確定(例如，調諧、按需求製定、定製)後續ping命令102 2之特性。回覆103 2回應於後續ping命令102 2。回覆103 2對關於所示容器類型1之內容物之資訊進行編碼。來自EMSSD之回覆有時被稱為「簽章」。在一些實施例中，回覆由應用程式捕獲且在行動裝置上解碼。在其他實施例中，回覆由應用程式捕獲，封裝成網路通信封包，並且被轉發至小區塔114，該小區塔繼而經由網際網路將網路通信封包中繼傳遞至資料處理設施(例如，感測器資料處理模組110)。資料處理設施繼而應用規則集121以確定進一步之動作(補貨、丟棄、修復等)。
環境100中示出之裝置及系統一起操作以形成自主監控系統，諸如履行系統。如圖所示，感測器資料處理模組110經由自主履行路徑129 1與遞送服務通信，該遞送服務繼而穿過自主履行路徑129 2以將補貨之產品遞送給使用者。
如上文所指出，EMSSD可組態成對應於特定產品及/或容器類型。圖1繪示被示出為容器類型2之紙箱，紙箱產品可位於該紙箱中。嚴格地說，作為一個實例，容器類型2可容納易腐物(例如，水果、蔬菜等)。對應的EMSSD可經組態以感測例如以下各項中之任一者或全部：(1)容器內之產品之位準或體積、(2)伴隨易腐食品或食品腐爛產生之氣體之濃度、(3)溫度。在操作中，處於RFID頻率之ping命令102 3致使EMSSD 101 2之一部分用對產品ID進行編碼之回覆103 3(例如，「PID2」)作出回應。產品ID用作規則集121之索引以隔離至少一個規則122，該規則之應用導致調諧資料以下游訊息126 1之形式遞送至應用程式。例如，基於自第一ping命令識別之產品，所選規則可針對產品上之感測器類型來定製信號頻率範圍及/或ping命令之數目，以在發送後續ping命令以收集關於產品包裝中之內容物之資訊時使用。
環境100之一些拓撲結構包括內部網路108。在一些此類拓撲結構中，下游訊息126 1在被選路發送至應用程式之前通過集線器106。在此類情況下，將偵測到對應於產品ID之產品之事件記載在日誌127中，該日誌用於各種目的，其中一些目的在下文中論述。
如上所述，下游訊息126 1可含有調諧資料。調諧資料包含由應用程式用來發送一或多個其他ping命令(例如，ping命令102 4)之資訊。可將進一步ping命令調諧至特定頻率，該等特定頻率至少部分地基於EMSSD之特性來確定。更具體而言，產品ID可用作擷取一或多個規則之密鑰，該一或多個規則繼而可向應用程式提供關於特定ping命令頻率以及ping命令之定時的資訊。嚴格地說，作為一個實例，應用程式可處理規則，以便根據各種ping命令(包括在任何時間段內以及在各種定時序列中的ping命令之簡單至複雜的組合)中之任一者來詢問EMSSD。因此，回覆103 4可由回應於各種ping命令之若干簽章構成，該等簽章中之任一者可作為訊息(例如，上游訊息125 1、上游訊息125 2)(例如，經由網際網路)發送至感測器資料處理模組110以進行分析。分析可導致確定例如以下各項中之任一者或全部：(1)容器內產品之位準或體積、(2)伴隨易腐食品或食品腐敗產生之分析物(例如，乙烯、氨、其他氣體)之濃度、(3)溫度，及/或關於容器中之內容物狀態之其他資訊。可將該等確定作為下游訊息126 2中之格式化內容發送至集線器106。
在一些拓撲結構中，下游訊息126 1在被選路發送至應用程式之前通過集線器106。集線器可藉由語音啟動式命令105(例如，語音助理)來實現。語音助理可截取下游訊息126 1且可能藉由發出通知107來對其進行處理，該通知可呈自然語言之形式，諸如「是時候訂購更多羽衣甘藍了—要我為您下訂單嗎？」或者「今天這裡太熱了—你應該將羽衣甘藍移至較陰涼的地方。」或者「羽衣甘藍開始腐壞了—你現在應該把它製成堆肥。」在一些拓撲結構中，通知107可採用其他形式，諸如但不限於文字或電子郵件訊息。通知訊息可包括諸如數量指示、過期日期、再填充日期、再填充計數、批號、化學組成及/或濃度指示之資訊。在一些拓撲結構中，可維護至少一些關於產品包裝中之內容物之資訊的日誌。例如，日誌可包括與關於內容物之資訊之至少一部分相對應的條目。日誌可由網路存取點維護，其中可藉由接收語音啟動式命令來啟動網路存取點。
在一些環境中，並且使用前述通信及資料分析技術之全部或部分，詢問器裝置133發射ping命令102 5，接收回覆103 5(例如，產品ID「PID3」)，然後發射進一步ping命令102 6，該進一步ping命令係專門針對容器類型3之特性及/或容器類型3中所容納之產品之特性進行調諧。進一步ping命令102 6之發射導致回覆103 6之發射。
如上文所提及，行動裝置(例如，智能手機)上之應用程式可控制電磁發射器裝置驅動程式(例如，NFC裝置驅動程式)，該電磁發射器裝置驅動程式繼而可致使電磁發射器裝置發出ping命令。圖2中呈現一個說明性部署情境中之處理流程。
圖 2呈現繪示可藉以部署電磁狀態感測裝置之處理流程200之流程圖。作為選擇，處理流程200或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。處理流程200或其任何態樣可在任何環境中實現。
在所繪示之部署情境中，應用程式及驅動程式軟體工程師開發應用程式且將其儲存在網路可存取位置(步驟202)。網路可存取位置254可為可儲存應用程式252之可下載執行個體之任何位置。連接至網際網路之任何請求裝置256可請求下載。此外，請求裝置可為任何類型之行動裝置，或者可為任何類型之固定裝置，諸如桌上型電腦或集線器或數位助理。在此情境中，請求裝置256被繪示為智能手機，但亦可為例如智能手錶、平板電腦或膝上型電腦。
在任何時刻，請求裝置可發出請求(例如，經由對統一資源識別符(URI)之網際網路呼叫)，該請求致使應用程式被下載至裝置上且經組態用於正在進行至操作(步驟204)。該組態可特定針對目標裝置(即，請求裝置)及/或裝載在目標裝置上之任何監督軟體(例如，作業系統)之特性。
在下載及組態之後之某個時刻，應用程式進入處理迴圈(步驟206)。可根據任何時程(可能為實現各種節電技術之時程)執行通過迴圈220之反覆。在某些情況下，在迴圈中執行之操作之順序可基於當前存在之條件而改變。儘管應用程式操作205繪示操作之特定流程，但是在一些情況下，替代性定序係可能的，並且在一些情況下，在迴圈之給定反覆中不執行該等操作中之一些。
如圖所示，迴圈220包括以下操作：當在EMSSD附近時(步驟208)發射第一ping命令信號(步驟208)，以便至少刺激EMSSD之識別部分261，然後基於自識別信號得出之識別碼(例如，產品ID)(步驟210)，應用程式將應用適用規則之全部或部分(步驟212)。此種識別碼(例如，產品ID)可用作規則集121之索引，以識別EMSSD規則209及履行規則211。某些EMSSD規則209之應用導致將調諧資料遞送至應用程式。某些履行規則211之應用導致與產品內容物相關聯之動作，諸如讀取液位或提供不同分析物之量測值，或讀取處於其容器內之內容物之數量。應用程式繼而傳輸第二ping命令信號(步驟214)，以便至少刺激EMSSD之狀態部分262。應用程式接收基於產品在第二ping命令時之狀態、回應於第二ping命令信號而回覆之回覆狀態信號(步驟216)。對該等回覆狀態信號進行解碼以確定狀態資訊。例如，當產品包裝內之內容物處於第一狀態時，印刷電磁狀態感測裝置可發射第二電磁輻射信號之第一變型(例如，第一共振頻率)，並且當產品包裝內之內容物處於第二狀態時，發射第二電磁輻射信號之第二變型(例如，第二共振頻率)。在一些情況下，由請求裝置(例如，由應用程式)分析回覆狀態信號，而在其他情況下，諸如所示，請求裝置藉由將回覆狀態信號發送至上游網路裝置來減輕請求裝置的負擔(步驟218)。
在此特定實施例中，上游裝置係集線器106之實例，然而上游裝置可為連接至內部網路或連接至網際網路之任何裝置。
前述處理至少部分地依賴於EMSSD之回應特性。詳言之，應用程式依賴於如下態樣：EMSSD包括識別部分261及至少一個狀態部分262。關於圖3A來示出且論述用於形成EMSSD之各種技術。
圖 3A係電磁狀態感測裝置3A00之示意圖。作為選擇，電磁狀態感測裝置3A00或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。電磁狀態感測裝置3A00或其任何態樣可在任何環境中實現。
EMSSD 3A00經組態為細長感測器。亦即，EMSSD具有複數個部分，此等部分橫跨產品內之內容物所在之長度(例如，在特定方向上呈縱向，諸如垂直地)。如圖所示，第一共振部分301經組態以提供RFID之功能。具體而言，當以預定頻率對第一共振部分301發出ping命令時，第一共振部分301將被供給能量且將發射位元之字串，該等位元之一部分可串連以形成唯一識別碼。該圖亦繪示第二共振部分302、第三共振部分303及第N共振部分399，其中第二至第N共振部分可用於傳達關於產品之資訊(即，產品包裝中之內容物之狀態)。在第N共振部分399附近可並置有諸多共振部分(例如，如圖所示，在線性陣列中)。EMSSD 3A00表示具有複數個共振部分之感測裝置，每個共振部分由油墨印刷而成且具有由印刷油墨之材料性質及/或幾何形狀確定之共振臨限值。共振部分沿路徑排列，並且可彼此相鄰或不相鄰。在一些實施例中，可使用不同的含碳油墨來印刷共振部分。在一些實施例中，共振部分各自具有大體上相同的尺寸及形狀。在一些實施例中，可使用相同的含碳油墨來印刷不同的共振部分，其中不同的共振部分具有不同的幾何形狀。識別部分261經調諧成以與任何狀態部分不同的一或多個頻率共振。
所有前述部分301至399可使用含碳油墨以各種幾何形狀印刷，該幾何形狀(例如，線性/彎曲/螺旋圖案、線寬、形狀因子)及含碳油墨(例如，各種同素異形體之組合物)由EMSSD之製造商或設計者基於EMSSD 3A00要偵測之感測準則來確定。在某些情況下，感測準則包括諸如「是否存在乙烯？」或「EMSSD之此部分是否因液體之存在而變形？」等環境指示。在某些情況下，感測準則及相應共振對應於諸如「在此位置處之電容率為多少？」之環境指示。因此，EMSSD之一系列共振部分可印刷在容器上，其中該系列共振部分經調諧以對要偵測之特定容器及內容物作出回應，且/或可基於該共振部分在容器上之特定位置來進行調諧。例如，容器中液體內容物之量之變化將導致EMSSD感測到之電容率之變化。因此，EMSSD可被設計成對特定共振部分在當時環境中之電容率敏感。實現且/或調諧對特定共振部分在當時環境中之電容率或磁導率的敏感度之技術包括選擇特定碳油墨或碳油墨之組合，以及按需求製定電極線之幾何形狀(例如，佈局及/或尺寸)。嚴格地說，作為一個實例，當容器裝滿時，容納液體之容器將表現出第一電容率，而當容器例如幾乎已空時，同一容器將表現出第二電容率。當確定容器中之液位時，可使用此現象。事實上，當僅使用單個共振部分(例如，作為達到特定準確度之類比信號)時，或者當使用一系列共振部分(諸如，在共振部分之細長線性陣列中)(例如，該等共振部分經組態成達到任何所需準確度之一系列數位位元)時，可觀察到此現象。在單個共振部分之情況下，隨著環境變化而發生之頻率變化包含類比信號，而在多個共振部分之情況下，對照臨限值來分析來自每個共振部分之回覆以確定「開啟」或「關閉」值。多個共振部分之「開啟」或「關閉」值可組合以形成數位位元之字串。
儘管前述實例特定針對容器中之液體，但是如本文所揭示之EMSSD之部署可用於偵測容器附近之環境之任何變化。作為環境變化之實例，EMSSD可偵測呈現為恆定電流變化及/或恆定壓電變化及/或恆定電位變化中之任何一或多者的任何變化。附近環境中之任何一或多種此類變化引起EMSSD之一或多個部分之一或多種共振回應之一或多種變化。例如，恆定壓電變化可能由產品內容物之變形(例如，由於存在之內容物之溫度或數量引起之膨脹)引起，此可能在EMSSD之共振部分上引起應變且因此改變所發射之共振頻率。不同類型之產品內容物具有不同的密度，因此不同的產品可在共振部分上引起不同程度之應變。因此，每個產品及每個容器可具有針對該特定產品及容器組合進行校準之唯一EMSSD。
在圖3B1及圖3B2之部署情境中示出且闡述用於感測容器中之液位之技術。
圖 3B1示出量測液體內容物之第一狀態之部署情境3B100。作為選擇，部署情境3B100或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。部署情境3B100或其任何態樣可在任何環境中實現。
在此部署情境中，EMSSD印刷在液體容器之側面(例如，外表面)上。在其他部署中，EMSSD印刷在容器之內側上。在其他部署中，EMSSD印刷在貼附至容器之標籤之上。
當液體將容器填充至接近額定容量時(如圖所示)，共振部分303至共振部分399與容器中有液體之區域重疊，而共振部分302處於容器中沒有液體之位置。在該等兩個位置處之共振部分周圍的環境之電容率及/或磁導率至少基於容器內之液位係不同的。因此，假設其他參數跨EMSSD之長度係相同的，則由共振部分302發射之共振頻率不同於共振部分399。上述參數包括材料及環境特性，諸如內容物或其包裝之密度、內容物或其包裝之介電常數、貼附至包裝之標籤之磁導率、容器之形狀、容器之厚度變化等。
在給定來自EMSSD之若干共振部分之若干ping命令回覆的情況下，若干ping命令回覆之差異對應於液位。更具體而言，使用者裝置發射處於不同頻率之若干ping命令。此等不同的頻率觸發來自EMSSD之不同共振部分之呈ping命令回覆形式的回應。然後分析包含此等ping命令回覆之信號以識別中心頻率之振幅。
在圖3B2之部署情境中示出且闡述幾乎已空之液位。在某些情況下，液體之存在或不存在支配特定共振部分之共振，然而液體在EMSSD之一端處的存在或不存在可能引起設置在EMSSD之相反端處的不同共振部分之共振頻率之變化。可在校準過程期間量測此效果以及由容器之幾何形狀引起之其他效果。
關於印刷感測器及共振組件之進一步細節在標題為「Antenna with Frequency-Selective Elements」之美國專利第10,218,073號；2017年2月21日申請之標題為「Energy Harvesting Using 2D/3D Packaging」之美國臨時專利申請案第62/461,693號；2017年8月31日申請之標題為「Printed Electrical Components」之美國臨時專利申請案第62/552,522號；及2017年11月22日申請之標題為「Printed Chemical Sensor」之美國臨時專利申請案第62/589,893號中有所闡述；所有此等申請案係本揭示內容之受讓人所擁有的且以全文引用的方式併入本文中。
圖 3B2 、圖 3B3及 圖 3B4分別示出量測液體內容物之第二狀態且視情況將其顯示在容器上之部署情境3B200、3B300及3B400。作為選擇，部署情境3B200、3B300或3B400或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。部署情境3B200、3B300或3B400或其任何態樣可在任何環境中實現。
當容器中之液體幾乎已空時(如圖3B2所示)，共振部分302至共振部分398處於容器中沒有液體之位置，而共振部分399處於容器中有液體之位置。在該等兩個位置處之環境之電容率及/或磁導率至少基於產品之位準係不同的。因此，假設其他參數跨EMSSD之長度係相同的，則由共振部分302發射之共振頻率不同於共振部分399。在給定來自EMSSD之若干共振部分之若干ping命令回覆的情況下，若干ping命令回覆之差異對應於液位。諸如藉由共振部分之數目、長度及/或間距，可將準確度(例如，裝滿、1/2裝滿至±1/4裝滿、1/4裝滿至±1/8裝滿等)組態至EMSSD中。
在一些實施例中，諸如利用如圖 3B3所示之狀態顯示器3990上之印刷視覺狀態指示圖案，可將內容物之狀態顯示在容器上。可使用例如含碳油墨來印刷狀態顯示器。在此圖中，狀態顯示器3990顯示「裝滿(FULL)」，其指示容器中之液位係裝滿的。狀態顯示器3990可直接印刷在容器之外表面上，或者可印刷在基板(例如標籤)上且貼附至容器。儘管在此圖中，狀態顯示器3990位於EMSSD之底端處，但狀態顯示器3990可位於容器中之其他位置，諸如位於EMSSD之上端處，或者位於與EMSSD分開之位置處。狀態顯示器3990可用於指示產品內容物之各種類型之狀態，諸如數量、新鮮度或建議動作(例如，「是時候再訂貨了」)，其中該指示可利用文字及/或圖形(例如，圖示)。
圖 3B4示出根據一些部署情境之印刷狀態顯示器3990之剖視圖。根據一些實施例，狀態顯示器3990係使用碳基質3991(即，電泳顯示基質)之電泳視覺顯示裝置。顯示器3990包括基板3992、基板3992上之第一電極層3993、基板3992上之碳基質3991層、碳基質3991內之電泳油墨3994，以及碳基質3991上之第二電極層3995。當電極層3993及3995被供給能量時，油墨3994朝向層3995或遠離層3995移動，以形成將自層3995檢視(如眼睛之圖示所指示)之影像(例如，圖案、圖形、文字)。碳基質3991由碳顆粒3996製成，該等碳顆粒藉由聚合物聯結以形成多孔網路。基板3992可為柔性材料，諸如聚合物膜或紙材料(例如，硬紙板、紙、塗有聚合物之紙及聚合物膜)。
由於碳基質3991之導電性質，可使碳基質3991層之厚度比習知電泳顯示材料薄(即，電極層3993與3995之間的距離更短)，此使得能夠在基質本身內進行電極連接。例如，碳基質3991之厚度可為10 μm至40 μm或10 μm至100 μm。碳基質3991之導電率可為大於20,000 S/m或大於5,000 S/m或大於500 S/m或大於50 S/m。具有較薄的固定相(碳基質3991)有利地需要較少的能量來移動油墨3994，從而使得顯示器3990係低功率的且因此更易於僅藉由能量獲取方法來供電。例如，狀態顯示器3990可由能量獲取天線3997供電，該能量獲取天線可自使用者裝置所發射之電磁信號獲取能量。
碳基質3991係多孔導電層，其在碳顆粒3996內或在該等碳顆粒之間具有孔，該等孔使得油墨3994能夠穿過碳基質3991。朝向第二電極層3995移動之油墨產生可見影像，而遠離層3995移動之油墨在所檢視之影像中產生空白空間。在一些實施例中，油墨3994可為白色電泳油墨，以與碳基質3991之深色形成對比。
碳基質3991由碳顆粒3996製成，該等碳顆粒藉由黏結劑保持在一起，該黏結劑諸如形成可聚合共價鍵之聚合物(例如，纖維素、乙酸丁酸纖維素、苯乙烯丁二烯、聚胺甲酸酯、聚醚-胺甲酸乙酯)或可交聯樹脂(例如，丙烯酸酯、環氧樹脂、乙烯基)。黏結劑將碳顆粒3996聯結在一起，但不涵蓋碳顆粒之間之所有空間，使得孔(即，空間、空隙)存在於碳基質3991內。碳顆粒3996係導電的且可包括同素異形體，諸如石墨烯、碳奈米洋蔥(CNO)、碳奈米管(CNT)或此等之任何組合。碳顆粒3996中之一些或全部可為此等同素異形體之亞顆粒之聚集體。在一些實施例中，碳基質3991之大部分可為石墨烯，諸如碳基質3991中之大於50%、或大於80%、或大於90%之碳顆粒係石墨烯。在一些實施例中，狀態顯示器3990係電泳顯示基質，其包含藉由聚合物彼此交聯之複數個碳顆粒，其中該基質具有包含以下中之至少一者之孔隙率：i）顆粒間孔隙率，其具有碳顆粒之間的最多10 μm之平均距離；或ii）顆粒內孔隙率，其具有大於200 nm之平均孔徑。印刷視覺顯示器之進一步細節可在2019年6月25日申請之標題為「Electrophoretic Display」之美國臨時專利申請案第62/866,464號中找到，該申請案係本揭示內容之受讓人所擁有的且以全文引用的方式併入本文中。
圖3C中給出基於EMSSD之獨立感測器部分之數目來確定動態敏感度範圍之技術。
圖 3C係用於確定電磁狀態感測裝置之動態範圍之選擇圖3C00。作為選擇，選擇圖3C00或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。選擇圖3C00或其任何態樣可在任何環境中實現。
如圖所示，在細長EMSSD中使用之感測器部分愈多，讀數就愈準確。在此圖中，3 dB之動態範圍對應於為2之比(對應於一個感測器部分之一個位元)，6 dB對應於為4之比(對應於兩個感測器部分之兩個位元)，並且9 dB對應於為8之比(對應於三個感測器部分之三個位元)。例如，若只有一個獨立感測器，則讀數可為{空的或裝滿的}具有較大的正或負誤差，而若有三個感測器部分(例如，在消耗掉產品內容物之方向上以相等間距排列之三個部分)，則來自三個感測器中之每一者的讀數之組合可以大約1/16之正或負誤差進行指示{裝滿的，7/8、3/4、5/8、1/2、3/8、1/4、1/8或空的}。亦即，各種指示將由環境中之條件產生，該等條件對應於產品內容物是否完全覆蓋或部分覆蓋或不覆蓋各種共振部分。
目前為止所闡述之實施例至少部分地依賴於來自EMSSD部分之讀數，其中不同環境中之每個部分用不同的相應回覆簽章對ping命令作出回應。可在各種環境中量測不同的相應回覆簽章，並且回覆簽章之讀數可用作校準點，如圖4A1及圖4A2中所示。
圖 4A1及 圖 4A2分別為在第一環境(例如，幾乎裝滿粉末之紙箱)及第二環境(例如，幾乎已空之紙箱)中之電磁狀態感測裝置之等效電路模型4A100及4A200。作為選擇，等效電路模型或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。等效電路模型或其任何態樣可在任何環境中實現。
在例示性實施例中，在EMSSD之每個部分中使用之每種含碳材料(即，油墨)經不同地配製，以便以不同的調諧頻率共振。材料共振之物理現象可關於對應的分子及/或形態組成來闡述。具體而言，具有第一分子結構之材料當在特定環境中時將以第一頻率共振，而具有第二不同分子結構之材料在相同的特定環境中將以第二不同頻率共振。類似地，具有第一分子結構之材料當在特定環境中時將以一或多個第一頻率共振，而具有相同分子結構之相同材料在不同環境中將以一或多個第二不同頻率共振。在諸多情況下，上述共振頻率形成簽章，該簽章對於位於特定環境中之組合物而言係唯一的。例如，第一含碳油墨可主要用石墨烯配製而成。第二含碳油墨可與第一油墨類似，但在分子結構上與第一含碳油墨不同，諸如具有不同的組成(例如，具有多壁球狀富勒烯或其他添加之同素異形體)或結構(例如，由比第一油墨中更少或更多之層製成之石墨烯)。
使用本文中闡述之技術可控制此現象。更具體地，(1)可將材料調諧成固有地以所選頻率共振，且(2)可量測材料在不同環境中之回應且將其用於校準。
如圖4A1及圖4A2所示，並且如文下所論述，來自在第一環境中的第一共振部分之第一ping命令回覆量測值與來自在第二環境中的相同共振部分之第二ping命令回覆量測值之間的差異對應於共振頻率之差異。此外，在其他參數相同的情況下，第一環境與第二環境之間的差異可對應於產品感測狀態(例如，產品存在或產品不存在)。可在現場量測產品感測狀態(例如，狀態=產品存在，或狀態=產品不存在)之間在共振頻率上的差異。在一些情況下，可計算產品感測狀態之間在共振頻率上的差異。無論是否經驗性地量測產品感測狀態之間在共振頻率上的差異(例如，用於校準)或者是否計算產品感測狀態之間在共振頻率上的差異，該現象係由於感測器中之材料之原子結構或分子結構，及/或由於量測時存在之環境條件而出現。以下段落一步一步地解釋此現象。
如此項技術中已知的，原子以特定元素之固有頻率發射電磁輻射。亦即，特定元素之原子具有對應於原子之組成特性的固有頻率。例如，當銫原子受刺激時，價電子自較低能態(例如，基態)躍遷至較高能態(例如，激發能態)。當電子回到其較低能態時，它以光子之形式發射電磁輻射。對於銫，發射之光子在9.192631770 THz之微波頻率範圍內。
大於原子之結構，諸如由多個原子形成之分子，亦以可預測之頻率共振(即，發射電磁輻射)。例如，整體液態水在109.6 THz下共振。處於拉伸狀態(例如，在整體之表面處，處於各種表面張力狀態)之水在112.6 THz下或接近112.6 THz下共振。
碳原子及碳結構亦表現出取決於結構之固有頻率。例如，碳奈米管(CNT)之固有共振頻率取決於CNT之管直徑及長度。使CNT在受控條件下生長(例如，以控制管直徑及長度)導致對結構之固有共振頻率進行控制。因此，使CNT生長係調諧至所需共振頻率之一種方式。
由碳形成之其他結構可在受控條件下產生。此類結構包括但不限於碳奈米洋蔥(CNO)、碳晶格、石墨烯、石墨烯基材料、其他含碳材料、工程化奈米尺度結構等，及/或其組合。可形成此類結構以使其以特定調諧頻率共振，且/或可在後處理中修改此類結構以便獲得所需特性或性質。例如，所需性質(諸如在與聚合物混合時的高增強值)可藉由材料之選擇、材料之特定組合之比及/或藉由添加其他材料引起。
此外，多個此類結構之共同定位引入了進一步共振效應。例如，兩片石墨烯可在它們之間以一定頻率共振，該頻率取決於片材之長度、寬度、間距、間距形狀及/或其他物理特性及/或它們彼此並置的狀態。
上述材料具有特定的可量測特性。對於天然存在之材料以及工程化碳同素異形體均是如此。此類工程化碳同素異形體可經調諧以表現出物理特性。例如，碳同素異形體可經工程化以表現出對應於以下各項之物理特性：(a)原始組成顆粒之特定組態、(b)聚集體之形成及(c)附聚物之形成。此等物理特性中之每一者會影響使用對應的特定碳同素異形體形成之材料之特定共振頻率。
除了針對對應於特定共振頻率之特定物理組態來調諧特定碳基結構之外，亦可將含碳化合物調諧至特定共振頻率或一組共振頻率。一組共振頻率被稱為「共振概況」。用於調諧特定碳基結構以發射一組共振頻率之一種可能的技術揭示如下。 形成經頻率調諧的材料
藉由按需求製定構成材料之特定化合物以使其具有特定電阻抗，可調諧含碳共振材料以使其表現出特定共振概況。不同的電阻抗繼而對應於不同的頻率回應概況。
阻抗闡述了交流電流過元件之難度。在頻域中，阻抗係具有實分量及虛分量之複數，此係由於該等結構起電感器的作用。虛分量係電感電抗分量 X L ，它基於頻率 f及特定結構之電感 L： (方程式1)
隨著所接收頻率增加，電抗亦增加，使得在特定頻率臨限值處，共振回應將衰減。電感 L受材料之電阻抗 Z之影響，其中 Z按以下關係與磁導率μ及電容率ɛ之材料性質相關： (方程式2)
因此，材料性質之調諧改變了電阻抗 Z，其影響電感 L且因此影響電抗 X L 。
本發明之實施例觀察到，具有不同電感之含碳結構將具有不同的頻率回應。亦即，相較於具有較低電感之另一含碳結構，具有高電感 L(基於電阻抗 Z)之含碳結構將在更低頻率下達到特定電抗。
此外，本發明之實施例在配製將根據特定產品狀態感測器之要求來調諧之含碳化合物時利用磁導率、電容率及導電率之材料性質。
觀察到第一含碳結構將以第一頻率共振，而當該結構處於不同環境時(例如，當含碳結構與環境之結構進行實體接觸時)，該相同結構將以第二頻率共振。
如圖所示，共振頻率可與包含電容器C 1及電感器L 1之等效電路相關。頻率 f 1由以下方程式給出： (方程式3)
若環境稍有變化，諸如當容器中之液體不再接觸感測器或者不再與容器之附接有感測器之壁相鄰時，則環境變化繼而會改變整個結構之電感及/或或電容。該等變化可與包含電容器C 2及電感器L 2之等效電路相關聯。頻率 f 2由以下方程式給出： (方程式4)
由於在比較兩個讀數時，或者在將讀數與校準點進行比較時使用數量 f 1– f 2，因此數量 f 1– f 2之量值確定了敏感度。因此，在確定EMSSD之敏感度時，EMSSD之印刷部分之幾何形狀(例如，電導管線之長度、電導管線之寬度、曲率等)及含碳油墨中所使用之碳之選擇通常係主要因素。即使可計算EMSSD之一部分之共振頻率(例如，使用前述方程式)，諸多部署情境仍依賴於經驗性資料捕獲技術來形成校準點。在諸多情況下，採集之校準點愈多，量測就愈準確。在各種校準情境中，針對容器及/或預期內容物之每個變型採集並保存諸多組校準點。
圖 4B繪示用於校準在不同環境中之電磁狀態感測裝置之經驗性資料捕獲技術4B00。作為選擇，經驗性資料捕獲技術4B00或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。經驗性資料捕獲技術4B00或其任何態樣可在任何環境中實現。
此經驗性資料捕獲技術之實際使用導致捕獲多部分EMSSD之每個特定部分之實際量測值。在例示性使用情境中，藉由進行一系列經驗性量測來建構諸如圖4B中所繪示之三行表格。具體而言，對於EMSSD之每個獨立部分，在兩種不同環境條件下量測其對刺激之回應。在第一環境中量測EMSSD之經特別調諧之獨立部分之經驗性回應(表示為R ENV1)且對其進行記錄。接下來，在第二環境中量測EMSSD之經特別調諧之獨立部分之經驗性回應(表示為R ENV2)且對其進行記錄。嚴格地說，作為實例，第一環境可能係容器裝滿或幾乎裝滿時，並且第二環境可能係容器已空或幾乎已空時。
可看出，R ENV1隨兩個主要變數而變：(1)形成EMSSD之獨立部分之材料之磁導率，及(2)局部環境之電容率。對於每個獨立部分，對第一環境及第二環境進此類現場原量測。
當EMSSD由大量獨立部分(例如，部分ID#2 302、部分ID#3 303、部分ID#99 399等)構成時，可進行非常準確的內容物評估。圖4B之繪示包括經驗性量測情境460，即狀態 裝滿情境461、狀態 幾乎已空情境462及狀態 半滿情境463。在此實例中，環境1對應於容器裝滿時之一組條件，而環境2對應於容器已空時之一組條件。因此，在容器完全裝滿之情況下，EMSSD之每個獨立部分以對應於R ENV1之回應來共振。為了比較，在容器幾乎已空之情況下，EMSSD之每個獨立部分以對應於R ENV2之回應來共振，「底部」部分(部分ID#99)除外，該「底部」部分以對應於R ENV1之回應來共振，此係由於一些內容物保留在底部部分#99附近。
在以下情況下，可認為容器處於半滿容量：(1) EMSSD之恰好四個獨立部分以垂直堆疊形式跨容器分佈(例如，自容器之上部分延伸至下部分以偵測容器中的內容物之數量)，並且(2)「頂部兩個」部分以對應於R ENV1之回應來共振，並且(3)「底部兩個」部分以對應於R ENV2之回應來共振。
一些實施例可包括將不同的含碳油墨調諧成以在頻域中分開很遠之不同中心頻率共振。因此，結果就是，用於刺激特定獨立部分之ping命令頻率亦可分開很遠。可使用「啾頻」技術連續刺激EMSSD之多個獨立部分，其中處於不同頻率之連續ping命令跨時間片段分開，使得來自EMSSD之給定獨立部分之回應簽章的振幅比來自EMSSD之其他部分之任何諧波回應高得多。關於圖5A來示出且闡述一種可能的簽章捕獲技術。
圖 5A繪示用於電磁狀態感測之簽章捕獲技術5A00。作為選擇，簽章捕獲技術5A00或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。簽章捕獲技術5A00或其任何態樣可在任何環境中實現。
圖5A係關於用於在藉由啾頻信號刺激由含碳調諧共振材料形成之EMSSD的獨立部分之後捕獲且分析回覆信號簽章之技術來呈現的。具體而言，該圖繪示自附近容器上之EMSSD獲取之量測值550。作為用啾頻信號序列刺激EMSSD之結果，EMSSD作出回應(例如，經由共振發射)。自每個EMSSD捕獲回覆回應(例如，回覆信號512 1、回覆信號512 2)。更具體而言，當藉由ping命令(例如，來自啾頻信號510 1之啾頻序列之ping命令)刺激容器上之第一EMSSD 504 1時，接收並處理回覆信號512 1。類似地，當藉由ping命令(例如，來自啾頻信號510 2之啾頻序列之ping命令)刺激容器上之第二EMSSD 504 2時，接收並處理回覆信號512 2。
如圖所示，特定容器可包括多個EMSSD(每個EMSSD具有其相應的識別部分及狀態部分)，以及單獨的RFID。作為實例，容器可呈用於分配藥物(例如，用於哮喘治療)的分配器(例如，吸入器)之形式，並且分配器可具有與任何EMSSD分開之其自己的RFID。RFID可能在製造分配器時已經應用於分配器，諸如用於產品識別或庫存目的。配藥師或藥房在完成藥物處方時可能使用黏著標籤來應用EMSSD，諸如用來跟蹤特定患者之數量及給藥資訊。由於各種原因，EMSSD之識別部分可經組態成以不同的頻率操作。作為實例，第一EMSSD之識別部分可在125 kHz下操作，而第二EMSSD之識別部分可在13.6 MHz下操作，等等。
上述啾頻/ping命令信號可由收發器514發送。而且，回覆信號可由相同(或不同)收發器514接收。如圖所示，啾頻信號可在啾頻(例如，啾頻信號510 1、啾頻信號510 2)之重複序列中出現。例如，啾頻信號序列可由ping命令控制單元516管理，該控制單元對包含1 GHz ping命令、繼之以2 GHz ping命令、繼之以3 GHz ping命令等等之模式進行重複。整個啾頻序列可連續地全部重複。在一些情況下，在每個ping命令之間可存在短暫之時段，使得可在ping命令結束之後即刻對來自共振材料之回覆信號(回覆信號512 1、回覆信號512 2)進行分析(例如，在簽章分析模組554中)。在其他情況下，對應於ping命令刺激之信號及回覆回應之信號係併發的。收發器514、ping命令控制單元516及簽章分析模組554可全部在使用者裝置(例如，行動或固定裝置)及使用者裝置上之軟體應用程式內，或者可分佈在諸如使用者裝置及與使用者裝置通信之伺服器之多個裝置上。使用數位信號處理技術，可將回覆回應之信號與ping命令信號區分開。例如，在回覆回應包含跨諸多不同頻率(例如，泛音、旁波瓣等)之能量的情況下，可使用陷波濾波器來濾除刺激之頻率。
在單個容器裝載兩個或兩個以上EMSSD之情況下，每個單獨EMSSD可經調諧以在不同的環境條件下發射不同的共振回應。例如，一些EMSSD經調諧以對於容器之內容物之變化作出回應，而其他EMSSD經調諧以對於環境中顆粒或氣體之存在作出回應。
為了偵測氣體之存在，EMSSD經組態以包含對分析物敏感之感測材料(例如，氧化還原介體)，使得當EMSSD暴露於分析物時，EMSSD之一或多個組成元件之電容會改變。因此，存在分析物時之回覆回應與不存在分析物時之回覆回應不同。更具體而言，可能發生的是感測材料之電容率及/或磁導率在暴露於分析物時改變，此繼而改變EMSSD之一或多個組成元件(例如，電容元件)之電容，繼而指示分析物之存在。
關於感測分析物之一般方法之進一步細節在2019年1月3日申請之標題為「RESONANT GAS SENSOR」之美國申請案第16/239,423號中有所闡述，該申請案以全文引用的方式併入本文中。
圖 5B繪示用於電磁狀態感測之簽章分析技術5B00。作為選擇，簽章分析技術5B00或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。簽章分析技術5B00或其任何態樣可在任何環境中實現。
圖5B示出與感測裝置有關之態樣，該等感測裝置不僅可發射識別資訊，而且可發射產品狀態資訊。在諸多情況(包括圖5B中示出且闡述之情況)下，基於與預定校準點進行比較之量測值來確定產品狀態資訊。
如圖所示，系統之流程在步驟570開始。ping命令控制單元516傳輸所選ping命令頻率之ping命令信號。ping命令信號產生機制及ping命令信號傳輸機制可使用任何已知技術。嚴格地說，作為一個實例，發射器模組可產生所選頻率(例如，3 GHz)且使用一天線或多個天線來輻射該信號。調諧天線之設計及位置可對應於任何調諧天線幾何形狀及/或材料及/或位置，使得ping命令之強度足以為附近EMSSD供給能量且/或在附近EMSSD中引起共振。在一些實施例中，若干調諧天線設置在靠近對應的EMSSD之結構性構件上或該等結構性構件內。因此，當藉由ping命令刺激EMSSD時，EMSSD用簽章作出共振回應。可接收該簽章(步驟574)且將其儲存在包含所接收簽章576之資料集中。傳輸ping命令，然後接收簽章之序列可在迴圈中重複。
例如，如圖所示，在反覆進行的過程中改變ping命令頻率(步驟572)(即，參見決策580之「是」分支)。當執行步驟574且處理所接收簽章576時，儲存第一簽章578 1、第二簽章578 2、第N簽章578 N等。可藉由決策580來控制反覆次數。當採用決策580之「否」分支時(例如，當沒有另外的額外ping命令要傳輸時)，則可將所接收簽章提供給簽章分析模組554中之數位信號處理模組(步驟582)。數位信號處理模組對照一組校準點586對簽章進行分類(步驟584)。校準點可對應於特定ping命令頻率且/或校準點可對應於在現場環境中量測之特定簽章。例如，第一校準點588 1可表徵將被分類為指示分配器中藥物之「裝滿」狀態之第一回覆簽章，第二校準點588 2可表徵將被分類為指示分配器中藥物之「半滿」狀態之第二回覆簽章，並且對於N個校準點以此類推。
在步驟590，將分類信號發送至上游網路裝置。在一些實施例中，分類信號由網路集線器中繼傳遞，該網路集線器繼而將分類信號傳輸至裝載機器學習資料庫之上游儲存庫。可訓練此種機器學習資料庫，使得給定的一組感測量測值可與特定產品狀態條件相關。
圖 6繪示用作補貨系統中之集線器106之虛擬助理600。作為選擇，虛擬助理600或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。虛擬助理600或其任何態樣可在任何環境中實現。
再次參考圖1，集線器106可為實現網路連接通信之任何裝置。在某些情況下，集線器包括與人類使用者進行自然語言通信之能力。在所示實例中，集線器106由虛擬助理實現。虛擬助理可為諸如藉由被稱為「AMAZON ECHO ®」、「GOOGLE HOME ®」、「NEST HUB TM」等的裝置來示範之任何裝置。如本文中所使用，虛擬助理係(1)經網路連接的，且(2)能夠使用語音輸入轉換器(例如，麥克風)及語音輸出轉換器(例如，揚聲器)與人類使用者進行自然語言通信之任何裝置。
當在諸如圖1所繪示之環境中使用時，虛擬助理可基於EMSSD讀數以及自然語言對話之結果來促進補貨。在一種情境中，EMSSD讀數指示易腐產品已達到其過期日期。數位助理可能說出語音交互「羽衣甘藍開始腐壞了—你想現在再訂貨嗎?」在此種情境中，使用者可用可聽到的「是」來作出回答，此將致使虛擬助理傳輸一或多個上游訊息125(例如，可能包括使用者憑證)，該等上游訊息可包括補貨訂單620。然後，位於數位助理上游之操作元件(例如，伺服器)可傳輸下游訊息126，該等下游訊息可包括補貨狀態622。
在某些情況下，諸如當在如圖1所繪示之環境中使用時，虛擬助理可促進由EMSSD發射之信號之處理。詳言之，虛擬助理可執行與類型1行動裝置131及/或類型2行動裝置132及/或詢問器裝置133之通信。可使用虛擬助理之NFC單元602(圖6)或虛擬助理之藍芽低能量(BLE)單元604或虛擬助理之Wi-Fi單元606來執行此類通信。此外，可實現各種協定中之任一者，使得產品識別及/或產品狀態感測及/或規則應用所需之任何操作可以任何組合的方式由行動裝置及/或詢問器裝置及/或虛擬助理及/或任何其他經網路連接之裝置執行。
以下與用於形成且執行規則之技術有關的附圖用於呈現邏輯操作流程。如上所述，可在任何操作元件處執行與任何規則或其部分之應用相對應之處理及/或與任何單獨操作之執行相對應之處理。
圖 7A呈現在基於電磁狀態感測裝置之補貨系統中使用之規則編碼技術7A00。作為選擇，規則編碼技術7A00或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。規則編碼技術7A00或其任何態樣可在任何環境中實現。
基於前述內容可容易地理解，因為存在諸多可能位於給定環境中(例如，在住所或汽車或船等中)之產品，並且因為前述EMSSD可應用於具有諸多不同類型之狀態，並且在特定狀態類型內具有諸多不同狀態的諸多產品，結果就是，可藉由基於產品識別之具體處理來促進特定產品之一或多個狀態之確定。例如，若作為發送至EMSSD之識別部分之ping命令之結果，可將產品識別為特定品牌之一瓶64盎司的洗滌劑，則可藉由在資料庫中查找而知道EMSSD之其餘部分之特定組態。例如，由於在資料庫中查找而回覆之資料可指示，該產品及其特定容器(即，該瓶64盎司的洗滌劑)之EMSSD組態包含對八個不同的刺激頻率作出回應之八個不同的共振部分。
此外，由於在資料庫中查找而回覆之資料可指示，該產品及其特定容器(即，該瓶64盎司的洗滌劑)之EMSSD組態包含32個不同的校準點。因此，一旦識別了產品，就可知道關於EMSSD組態之大量資訊。此外，一旦識別了產品，就可識別為了得到產品狀態而執行之另外的步驟。如圖7A中所繪示之流程實現規則編碼技術，使得可將任何規則遞送至任何裝置以供執行。
如圖所示，該流程由事件701開始，該事件可能由諸如智能手機之使用者裝置上之應用程式引起。使用者裝置藉由發射ping命令頻率來對事件作出回應(步驟702)。特定ping命令頻率最初可自ping命令頻率表720中獲知，該表被實現為使用者裝置可存取之資料結構。作為一或多個傳出之ping命令之結果，自RFID或EMSSD之識別部分發射至少一個識別信號703。接收識別信號703(步驟704)，使用任何已知的信號處理技術將該識別信號轉換成二進制表示(步驟706)。該二進制表示用於自一或多個規則集121中查找一或多個規則(步驟708)。一或多個規則可使用任何儲存裝置儲存在任何位置處，並且可藉由使用用於裝置間通信之任何已知方法來擷取。在諸多情況下，一或多個規則包含與(1)對應的EMSSD類型、(2)校準點之位置、(3)臨限值及(4)額外ping指令有關之資訊。
可藉由查找對應於規則之運算元的資料(步驟710)且藉由查找要應用於規則之運算元的操作(步驟712)來對每個規則進行編碼。嚴格地說，作為一個實例，規則可能指示「若誤差＞T，則重試」。步驟710可查找「T」以確定例如50%之數值。步驟712可查找與「重試」操作有關之細節，其可包括例如在重試之前等待之持續時間。在某些情況下，運算元之數值係在要執行規則之特定平台上確定。
當已經由步驟710及步驟712來處理規則時，流程發射與平台無關之規則表示715，然後將其傳輸至裝置(例如，集線器或智能手機)以供執行。
圖 7B呈現在基於電磁狀態感測裝置之補貨系統中使用之規則執行技術7B00。作為選擇，規則執行技術7B00或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。規則執行技術7B00或其任何態樣可在任何環境中實現。
如圖所示，當裝置(例如，集線器或智能手機)接收到與平台無關之規則表示時(步驟752)，開始規則執行技術7B00。對與平台無關之規則表示中之單獨的每一者進行解碼(步驟754)以確定裝置上之對應入口點。而且，對與平台無關之規則表示中之每一者進行解碼以識別運算元(步驟756)。可採用格式化表757來將特定的與平台無關之運算元表示轉換成平台特定的運算元表示。然後，對於每個入口點，將運算元格式化以使其對應於平台之電腦硬體及軟體架構(步驟758)，並且在裝置上執行與平台無關之規則(步驟760)。在某些情況下，可能不將運算元解碼成數位表示，而是將運算元解碼成另一個入口點或副常式。作為實例，格式化表757中所繪示之運算元「掃頻」可指代在頻率掃描操作中涵蓋諸多範圍之副常式。
圖 8繪示在基於電磁狀態感測裝置之補貨系統中使用之例示性協定800。作為選擇，協定800或其任何態樣之一或多個變型可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。協定800或其任何態樣可在任何環境中實現。
所示協定涉及四個裝置：(1)附近EMSSD 801、(2)使用者裝置802、(3)網路集線器803，以及(4)上游處理單元804。如圖所示，該協定由使用者裝置開始。具體而言，使用者裝置802發射第一ping命令(發射806)。來自第一ping命令之能量致使附近EMSSD 801發射信號(發射807)，該信號包括被解譯為識別信號(發射808)之部分。將識別信號解碼成產品ID(操作810)，將該識別信號發送至網路集線器(訊息812)。
網路集線器803執行第一本端處理(操作814)以處理發射807之全部或部分，然後將發射807之全部或部分發送至上游處理單元804(有效載荷訊息816)。上游處理單元804(即，上游計算裝置，其可包括例如具有RFID讀取器之詢問器裝置)自規則集121存取EMSSD規則且執行第一上游處理818。將EMSSD規則編碼為與平台無關之規則且發送至網路集線器(訊息820)，然後網路集線器將與平台無關之規則之全部或部分(訊息822)中繼傳遞至使用者裝置。
在協定中之這一點，使用者裝置具有關於附近EMSSD之特性之足夠資訊(例如，由於藉由確定第二至第N ping命令信號特性824來處理訊息而產生)，使得可藉由對附近EMSSD之任何一或多個共振部分發出ping命令來詢問EMSSD之狀態部分。在此協定中，僅示出一個第二ping命令(發射826)，但是在大多數情況下，存在附近EMSSD之諸多共振部分，使用者裝置詢問(例如，連續地)該等部分中之任一者或全部。
回應於第二ping命令，附近EMSSD之共振部分以發射狀態信號(發射830)之方式共振(發射828)。藉由應用一或多個規則，在使用者裝置處處理狀態信號(操作832)。在此實施例中，將狀態信號之全部或部分及/或由處理狀態信號得出之任何結果發送至網路集線器(訊息834)，網路集線器執行第二本端處理(操作836)。第二本端處理包括形成用於發送至上游處理單元之訊息之有效載荷(訊息838)。上游處理單元繼而執行第二上游處理842。
在協定中之這一點，至少上游處理單元具有關於特定一件特定產品之特定狀態的資訊。因此，上游處理單元可利用與履有關之額外規則。例如，履行規則可帶有以下語義：「詢問使用者是否現在應該訂購另一件此種產品」。將此等額外規則中繼傳遞(訊息844)至網路集線器以進行進一步處理。在一些情況下，並且如圖所示，網路集線器將額外規則之全部或部分中繼傳遞(訊息846)至使用者裝置。
在使用者裝置處之此等額外規則可包括形成確認問題且在使用者裝置之使用者介面中呈現確認問題。在一些情況下，在使用者裝置處應用若干額外規則(操作847)。可將使用者回應，例如「是的—現在訂貨。」，發送至網路集線器(訊息848)以進行進一步處理及/或用於將回應或其部分中繼傳遞至上游處理單元(訊息850)。然後，上游處理單元可完成實現使用者確認之履行請求的步驟(操作852)。
作為使用EMSSD進行產品狀態確定之結果，向使用者通知對補貨之潛在需求。確認使用者之補貨意願，在此之後開始補貨。在某些情況下，即使沒有明確的使用者確認，履行規則仍授權開始履行。 額外的實際應用實例
圖 9繪示作為計算模組之配置的系統900，該等計算模組經互連以便協同操作以實現本文揭示之某些實施例。此實施例及其他實施例呈現元件之特定配置，該等元件單獨地或組合地用於形成解決如何廉價地部署狀態感測器之改良技術方法。系統900之分割僅為說明性的，並且其他分割係可能的。作為選擇，系統900可在本文闡述之實施例之架構及功能的情形中實現。然而，當然，系統900或其中之任何操作可在任何所需環境中執行。
系統900包含至少一個處理器及至少一個記憶體，該記憶體用於儲存與系統之操作相對應之程式指令。如圖所示，操作可全部或部分地使用模組可存取之程式指令來實現。模組連接至通信路徑905，並且任何操作可經由通信路徑905與任何其他操作通信。系統之模組可單獨地或組合地在系統900內執行方法操作。除非可在申請專利範圍中指定，否則可以任何順序執行在系統900內執行之任何操作。
所示實施例實現呈現為系統900之電腦系統之一部分，該系統包含用以執行一組程式碼指令之一或多個電腦處理器(模組910)及用於存取用以保存執行以下步驟之程式碼指令之記憶體的模組：對來自使用者裝置之下載應用程式之請求作出回應，其中回應涉及接收來自使用者裝置之請求及回應於該請求而提供對應用程式之存取，其中應用程式經組態以致使使用者裝置執行一系列步驟(模組920)；自使用者裝置傳輸第一電磁輻射ping命令(模組930)；自貼附至產品包裝之電磁狀態感測裝置(EMSSD)接收第一電磁輻射回覆信號，其中第一電磁輻射回覆信號由電磁狀態感測裝置回應於第一電磁輻射ping命令進行轉換以產生電磁輻射信號，該電磁輻射信號至少對包含產品識別碼之第一資訊進行編碼(模組940)；應用至少部分地基於產品識別碼來選擇之規則(模組950)；回應於規則之應用而傳輸第二電磁輻射ping命令，諸如其中基於規則來調諧第二電磁輻射ping命令(模組960)；自電磁狀態感測裝置接收第二電磁輻射回覆信號，該第二電磁輻射回覆信號對與產品包裝內之內容物有關之第二資訊進行編碼(模組970)；以及，自使用者裝置將第二資訊之至少一部分發送至上游計算裝置(模組980)。使用者裝置可為例如智能手機，並且可視情況包括固定的RFID讀取器。
在一些實施例中，電磁狀態感測裝置係印刷電磁狀態感測裝置，其可包括第一含碳油墨且視情況包括第二含碳油墨。當產品包裝內之內容物處於第一狀態時，印刷電磁狀態感測裝置可發射第二電磁輻射信號之第一變型(即，第一回覆信號)，並且當產品包裝內之內容物處於第二狀態時，印刷電磁狀態感測裝置可發射第二電磁輻射信號之第二變型(即，第二回覆信號)。在一些實施例中，印刷電磁狀態感測裝置可縱向印刷在產品包裝上。
在一些實施例中，電磁輻射回覆信號具有跨複數個頻率分佈之能量並且由使用者裝置發射，其中使用者裝置係行動裝置。電磁輻射回覆信號可由行動裝置之電磁發射裝置或固定裝置之電磁發射裝置發射。嚴格地說，作為一個實例，電磁發射裝置可為近場通信裝置。
在一些實施例中，應用程式進一步經組態以回應於與產品包裝內之內容物有關之第二資訊而發出補貨訂單。在一些實施例中，應用程式進一步經組態以回應於與產品包裝內之內容物有關之第二資訊而發送通知訊息。通知訊息可包括數量指示、過期日期、再填充日期、再填充計數、批號、化學組成及濃度指示中之至少一者。
在一些實施例中，應用程式進一步經組態以維護與產品包裝內之內容物有關之第二資訊中之至少一些資訊的日誌。日誌可由網路存取點維護，其中網路存取點可接收語音啟動式命令。日誌可包括與第二資訊之至少一部分相對應之條目。
在一些實施例中，應用程式進一步經組態以自貼附至產品包裝之第二電磁狀態感測裝置(EMSSD)接收電磁輻射中繼信號，其中電磁輻射中繼信號由第二電磁狀態感測裝置轉換。
前述內容之變型可包括更多或更少之所示模組。某些變型可執行更多或更少(或不同)之步驟，且/或某些變型可在更多或更少或不同之操作中使用資料元素。
更進一步地，一些實施例包括所執行操作之變型，並且一些實施例包括在操作中使用之資料元素之各態樣之變型。
圖 10A至 圖 10Y繪示根據本揭示內容之一些實施例之結構化碳、各種碳奈米顆粒及各種含碳聚集體以及在其他材料上生長之各種三維含碳結構。
EMSSD之一些實施例在某些組態中使用碳奈米顆粒及聚集體。在一些實施例中，與利用習知系統及方法可達成的較低均勻性、較無序且較低純度之顆粒相對比，碳奈米顆粒及聚集體之特徵在於高「均勻性」(即，所需碳同素異形體之高質量分率)、高「有序度」(即，低濃度之缺陷)及/或高「純度」(即，低濃度之元素雜質)。此導致EMSSD之共振部分之高度可調諧性。
在一些實施例中，使用本文所闡述之方法產生之奈米顆粒含有多壁球狀富勒烯(MWSF)或經連接之MWSF，並且具有高均勻性(例如，石墨烯與MWSF之比為20%至80%)、高有序度(例如，I D/I G比為0.95至1.05之拉曼特徵)以及高純度(例如，碳與其他元素(氫以外)之比大於99.9%)。在一些實施例中，使用本文所闡述之方法產生之奈米顆粒含有MWSF或經連接之MWSF，並且MWSF不含由碳以外的雜質元素構成之核心。在一些情況下，使用本文所闡述之方法產生之顆粒係具有較大直徑(例如，橫貫大於10 μm)之含有上述奈米顆粒之聚集體。
已經使用習知方法來產生含有具有高有序度之多壁球狀富勒烯之顆粒，但是習知方法導致碳產品具有各種缺點。例如，高溫合成技術導致顆粒具有諸多碳同素異形體之混合物，因此具有低均勻性(例如，與其他碳同素異形體相比，富勒烯少於20%)及/或小粒徑(例如，小於1μm，或在某些情況下小於100 nm)。使用催化劑之方法導致產品包括催化劑元素，因此亦具有低純度(例如，與其他元素相比，碳少於95%)。此等不希望之性質亦常常導致所得碳顆粒之不希望之電性質(例如，導電率小於1000 S/m)。
在一些實施例中，本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體之特徵在於指示結構之高有序度及均勻性之拉曼光譜。在一些實施例中，本文所闡述之均勻、有序及/或純碳奈米顆粒及聚集體係使用如下文所闡述之相對高速度、低成本、改良之熱反應器及方法產生的。根據以下揭示內容，額外優點及/或改良亦將變得顯而易見。
在本揭示內容中，術語「石墨烯」係指呈二維、原子尺度的六方晶格(其中一個原子形成每個頂點)之形式之碳之同素異形體。石墨烯中之碳原子係sp 2鍵合的。另外，石墨烯具有帶有兩個主峰之拉曼光譜：大約1580 cm -1處之G模式及大約1350 cm -1處之D模式(當使用532 nm激發雷射時)。
在本揭示內容中，術語「富勒烯」係指中空球體、橢球體、管或其他形狀之碳分子。球狀富勒烯亦可稱為巴克明斯特富勒烯(Buckminsterfullerene)或巴克球(buckyball)。圓柱形富勒烯亦可稱為碳奈米管。富勒烯在結構上類似於石墨，石墨由經聯結之六角形環之堆疊石墨烯片構成。富勒烯亦可含有五角形(或有時為七角形)環。
在本揭示內容中，術語「多壁富勒烯」係指具有多個同心層之富勒烯。舉例而言，多壁奈米管(multi-walled nanotube，MWNT)含有多個經滾軋之層(同心管)之石墨烯。多壁球狀富勒烯(Multi-walled spherical fullerene，MWSF)含有多個同心球體之富勒烯。
在本揭示內容中，術語「奈米顆粒」係指量測為1 nm至989 nm之顆粒。奈米顆粒可包括一或多種結構特性(例如，晶體結構、缺陷濃度等)及一或多種類型之原子。奈米顆粒可為任何形狀，包括但不限於，球形、橢球形、啞鈴形、圓柱形、細長圓柱型形狀、矩形棱柱形、盤形、線形、不規則形狀、緻密形狀(亦即，具有少量空隙)、多孔形狀(亦即，具有諸多空隙)等。
在本揭示內容中，術語「聚集體」係指藉由凡得瓦力、藉由共價鍵、藉由離子鍵、藉由金屬鍵或藉由其他物理或化學相互作用連接在一起之複數個奈米顆粒。聚集體之尺寸可顯著變化，但一般而言大於約500 nm。
在一些實施例中，如本文所闡述之碳奈米顆粒包括兩種或兩種以上經連接之多壁球狀富勒烯(MWSF)及塗覆經連接之MWSF之石墨烯層。在一些實施例中，如本文所闡述之碳奈米顆粒包括兩種或兩種以上經連接之多壁球狀富勒烯(MWSF)及塗覆經連接之MWSF之石墨烯層，其中MWSF不含由碳以外的雜質元素構成之核心。在一些實施例中，如本文所闡述之碳奈米顆粒包括兩種或兩種以上經連接之多壁球狀富勒烯(MWSF)及塗覆經連接之MWSF之石墨烯層，其中MWSF在中心處不含空隙(即，大於大約0.5 nm、或大於大約1 nm的沒有碳原子之空間)。在一些實施例中，與無序、不均勻之非晶形碳顆粒之球體相對比，經連接之MWSF由sp 2混成化碳原子之同心、有序之球體形成。
在一些實施例中，含有經連接之MWSF之奈米顆粒具有範圍為5至500 nm、或5至250 nm、或5至100 nm、或5至50 nm、或10至500 nm、或10至250 nm、或10至100 nm、或10至50 nm、或40至500 nm、或40至250 nm、或40至100 nm、或50至500 nm、或50至250 nm、或50至100 nm之平均直徑。
在一些實施例中，本文所闡述之碳奈米顆粒形成聚集體，其中諸多奈米顆粒聚集在一起以形成更大單元。在一些實施例中，碳聚集體包括複數個碳奈米顆粒。橫貫碳聚集體之直徑在10至500 µm、或50至500 µm、或100至500 µm、或250至500 µm、或10至250 µm、或10至100 µm、或10至50 µm之範圍內。在一些實施例中，聚集體由複數個如上文所定義之碳奈米顆粒形成。在一些實施例中，聚集體含有經連接之MWSF。在一些實施例中，聚集體含有經連接之MWSF，其具有高均勻性度量(例如，石墨烯與MWSF之比為20%至80%)、高有序度(例如，I D/I G比為0.95至1.05之拉曼特徵)及高純度(例如，大於99.9%之碳)。
產生具體地具有上述範圍內之直徑之碳奈米顆粒聚集體的一個益處為,大於10 μm之顆粒聚集體比小於500 nm之顆粒或聚集體收集更簡便。收集之簡便降低碳奈米顆粒之生產中所使用的製造設備之成本且增加碳奈米顆粒之產率。另外，與處置較小奈米顆粒之風險(例如由於吸入較小奈米顆粒而導致的潛在的健康及安全風險)相比，尺寸大於10 μm之顆粒造成較少的安全問題。較低的健康及安全風險由此進一步降低製造成本。
在一些實施例中，碳奈米顆粒具有10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%的石墨烯與MWSF之比。在一些實施例中，碳聚集體具有10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%的石墨烯與MWSF之比。在一些實施例中，碳奈米顆粒具有10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%的石墨烯與經連接之MWSF之比。在一些實施例中，碳聚集體具有10%至90%、或10%至80%、或10%至60%、或10%至40%、或10%至20%、或20%至40%、或20%至90%、或40%至90%、或60%至90%、或80%至90%的石墨烯與經連接之MWSF之比。
在一些實施例中，使用拉曼光譜來表徵碳同素異形體以區分其分子結構。例如，可使用拉曼光譜來表徵石墨烯以確定諸如有序/無序、邊緣及結晶粒邊界、厚度、層數、摻雜、應變及導熱率之資訊。亦使用拉曼光譜來表徵MWSF以確定MWSF之有序度。
在一些實施例中，使用拉曼光譜來表徵MWSF或經連接之MWSF之結構。拉曼光譜中之主峰係G模式及D模式。G模式歸因於sp 2混成化碳網路中的碳原子之振動，並且D模式與具有缺陷之六角形碳環之呼吸有關。在某些情況下，可能存在缺陷，但在拉曼光譜中可能無法偵測到。例如，若呈現之晶體結構相對於基底平面為正交的，則D峰將顯示出增加。另一方面，若呈現出具有相對於基底平面為平行的完全平面表面，則D峰將為零。
當使用532 nm入射光時，對於平面石墨，拉曼G模式通常處於1582 cm -1，但是對於MWSF或經連接之MWSF，拉曼G模式可下移(例如，下移至1565cm -1或下移至1580 cm -1)。在MWSF或經連接之MWSF之拉曼光譜中大約1350 cm -1處觀察到D模式。D模式峰與G模式峰之強度之比(即，I D/I G)與MWSF之有序度相關，其中較低之I D/I G指示較高之有序度。接近或低於1之I D/I G指示相對高的有序度，並且大於1.1之I D/I G指示較低的有序度。
在一些實施例中，在使用532 nm入射光時，如本文所闡述的含有MWSF或經連接之MWSF之碳奈米顆粒或碳聚集體具有第一拉曼峰在約1350 cm -1處並且第二拉曼峰在約1580 cm -1處之拉曼光譜。在一些實施例中，對於本文所闡述之奈米顆粒或聚集體，第一拉曼峰之強度與第二拉曼峰之強度之比(即，I D/I G)在0.95至1.05、或0.9至1.1、或0.8至1.2、或0.9至1.2、或0.8至1.1、或0.5至1.5之範圍內、或小於1.5、或小於1.2、或小於1.1、或小於1、或小於0.95、或小於0.9、或小於0.8。
在一些實施例中，如上文所定義之含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體具有高純度。在一些實施例中，含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體具有大於99.99%、或大於99.95%、或大於99.9%、或大於99.8%、或大於99.5%、或大於99%的碳與金屬之比。在一些實施例中，碳聚集體具有大於99.99%、或大於99.95%、或大於99.9%、或大於99.5%、或大於99%、或大於90%、或大於80%、或大於70%、或大於60%的碳與其他元素之比。在一些實施例中，碳聚集體具有大於99.99%、或大於99.95%、或大於99.9%、或大於99.8%、或大於99.5%、或大於99%、或大於90%、或大於80%、或大於70%、或大於60%的碳與其他元素(氫以外)之比。
在一些實施例中，如上文所定義之含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體具有高的比表面積。在一些實施例中，碳聚集體具有10至200 m 2/g、或10至100 m 2/g、或10至50 m 2/g、或50至200 m 2/g、或50至100 m 2/g、或10至1000 m 2/g之布魯諾、埃梅特及特勒(BET)比表面積。
在一些實施例中，如上文所定義之含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體具有高的導電率。在一些實施例中，如上文所定義之含有MWSF或經連接之MWSF之碳聚集體被壓縮成糰粒並且糰粒具有大於500 S/m、或大於1000 S/m、或大於2000 S/m、或大於3000 S/m、或大於4000 S/m、或大於5000 S/m、或大於10000 S/m、或大於20000 S/m、或大於30000 S/m、或大於40000 S/m、或大於50000 S/m、或大於60000 S/m、或大於70000 S/m、或500 S/m至100000 S/m、或500 S/m至1000 S/m、或500 S/m至10000 S/m、或500 S/m至20000 S/m、或500 S/m至100000 S/m、或1000 S/m至10000 S/m、或1000 S/m至20000 S/m、或10000至100000 S/m、或10000 S/m至80000 S/m、或500 S/m至10000 S/m之導電率。在某些情況下，糰粒之密度為大約1 g/cm 3、或大約1.2 g/cm 3、或大約1.5 g/cm 3、或大約2 g/cm 3、或大約2.2 g/cm 3、或大約2.5 g/cm 3、或大約3 g/cm 3。另外，已經進行測試，其中使用2000 psi及12000 psi之壓縮並且使用800℃及1000℃之退火溫度來形成碳聚集體材料之壓縮糰粒。較高之壓縮及/或較高之退火溫度通常導致糰粒具有較高之導電率，包括在12410.0 S/m至13173.3 S/m之範圍內的電導率。 使用熱處理系統產生高純度碳同素異形體
在一些實施例中，本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體係使用熱反應器及方法(諸如任何適當的熱反應器及/或方法)產生的。關於熱反應器及/或使用方法之進一步細節可在2018年1月9日頒予之標題為「CRACKING OF A PROCESS GAS」之美國專利第9,862,602號中找到，該專利以全文引用的方式併入本文中。另外，前驅物(例如，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及天然氣)可與熱反應器一起使用以產生本文所闡述之碳奈米顆粒及碳聚集體。
在一些實施例中，使用具有1 slm至10 slm、或0.1 slm至20 slm、或1 slm至5 slm、或5 slm至10 slm、或大於1 slm、或大於5 slm之氣體流速之熱反應器來產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體。在一些實施例中，使用具有0.1秒至30秒、或0.1秒至10秒、或1秒至10秒、或1秒至5秒、5秒至10秒、或大於0.1秒、或大於1秒、或大於5秒、或小於30秒之氣體共振時間之熱反應器來產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體。
在一些實施例中，使用具有10 g/hr至200 g/hr、或30 g/hr至200 g/hr、或30 g/hr至100 g/hr、或30 g/hr至60 g/hr、或10 g/hr至100 g/hr、或大於10 g/hr、或大於30 g/hr、或大於100 g/hr之產生速率之熱反應器來產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體。
在一些實施例中，熱反應器或其他裂解設備及熱反應器方法或其他裂解方法可用於將原料處理氣體精煉、熱解、離解或裂解成其組分以產生本文所闡述之碳奈米顆粒及碳聚集體，以及其他固體及/或氣體產物(例如，氫氣及/或低階烴氣)。原料處理氣體通常包括例如氫氣(H 2)、二氧化碳(CO 2)、C 1至C 10烴、芳烴及/或其他烴氣，諸如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、飽和/不飽和烴氣、乙烯、丙烯等，及其混合物。碳奈米顆粒及碳聚集體可包括例如多壁球狀富勒烯(MWSF)、經連接之MWSF、碳奈米球、石墨烯、石墨、高度有序之熱解石墨、單壁奈米管、多壁奈米管、其他固體碳產物及/或本文所闡述之碳奈米顆粒及碳聚集體。
用於產生本文所闡述之碳奈米顆粒及碳聚集體之一些實施例包括熱裂解方法，其使用例如視情況封閉在熱裂解設備之細長罩殼、殼體或主體內之細長縱向加熱元件。主體通常包括例如由不銹鋼、鈦、石墨、石英或其類似物製成之一或多個管或其他適當的外殼。在一些實施例中，熱裂解設備之主體的形狀為大體上圓柱形，具有垂直配置之中心細長縱向軸線及位於主體之頂部處或附近的原料處理氣體入口。原料處理氣體縱向向下流過主體或其部分。在垂直構型中，氣流及重力皆有助於自熱裂解設備之主體移除固體產物。
加熱元件通常包括例如加熱燈、一或多個電阻線或細絲(或絞合線)、金屬細絲、金屬帶或棒，及/或可加熱至足以使原料處理氣體之分子熱裂解之特定溫度(即，分子裂解溫度)的其他適當的熱自由基產生器或元件。通常將加熱元件設置、定位或配置成沿著熱裂解設備之中心縱向軸線在熱裂解設備之主體內居中地延伸。例如，若只有一個加熱元件，則將其置放於中心縱向軸線上或與中心縱向軸線同心地置放，並且若存在複數個加熱元件，則它們在位於中心縱向軸線附近及周圍且與中心縱向軸線平行的位置處大體上對稱或同心地間隔或偏置。
用來產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體之熱裂解通常藉由使原料處理氣體在縱向細長反應區內在加熱元件之上或與其接觸或在其附近傳遞以將原料處理氣體加熱至特定分子裂解溫度或保持在該溫度來達成，該縱向細長反應區由來自加熱元件之熱量產生並且由熱裂解設備之主體界定且包含在該主體內。
反應區被認為係圍繞加熱元件並且足夠靠近加熱元件以使原料處理氣體接收到足以使其分子熱裂解之熱量的區域。因此，反應區與主體之中心縱向軸線大體上軸向對準或同心。在一些實施例中，熱裂解在特定壓力下執行。在一些實施例中，使原料處理氣體圍繞或跨反應區之容器或加熱室之外表面循環，以便使該容器或室冷卻且在使原料處理氣體流入反應區之前將原料處理氣體預加熱。
在一些實施例中，本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體及/或氫氣係在不使用催化劑之情況下產生的。換言之，該方法係無催化劑的。
使用熱裂解設備及方法來產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體之一些實施例提供可有利地根據需要針對不同生產水平來快速按比例擴大或按比例縮小之獨立系統。例如，一些實施例係可縮放的以提供獨立的氫及/或碳奈米顆粒產生站、烴源或燃料電池站。一些實施例可按比例擴大以提供較高容量之系統，例如，用於精煉廠或其類似設施。
在一些實施例中，用於裂解原料處理氣體以產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體之熱裂解設備包括主體、原料處理氣體入口及細長加熱元件。主體具有帶有縱向軸線之內部體積。內部體積具有與縱向軸線同心之反應區。在熱裂解操作期間，原料處理氣體經由原料處理氣體入口流入內部體積。細長加熱元件沿著縱向軸線設置在內部體積內且被反應區包圍。在熱裂解操作期間，藉由電力將細長加熱元件加熱至分子裂解溫度以產生反應區，藉由來自細長加熱元件之熱量加熱原料處理氣體，並且熱量將在反應區內之原料處理氣體之分子熱裂解成分子之組分。
在一些實施例中，用於裂解原料處理氣體以產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體之方法包括(1)提供熱裂解設備，其具有帶有縱向軸線之內部體積及沿著縱向軸線設置在內部體積內之細長加熱元件；(2)藉由電力將細長加熱元件加熱至分子裂解溫度以在內部體積內產生縱向細長反應區；(3)使原料處理氣體流入內部體積且流過縱向細長反應區(例如，其中藉由來自細長加熱元件之熱量加熱原料處理氣體)；以及(4)當原料處理氣體流過縱向細長反應區時，將縱向細長反應區內之原料處理氣體之分子熱裂解成其組分(例如氫氣及一或多種固體產物)。
在一些實施例中，用於產生本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體之原料處理氣體包括烴氣。裂解之結果包括氫(例如，H 2)及本文所闡述之各種形式之碳奈米顆粒及聚集體。在一些實施例中，碳奈米顆粒及聚集體包括兩種或兩種以上MWSF及塗覆MWSF之石墨烯層，及/或經連接之MWSF及塗覆經連接之MWSF之石墨烯層。在一些實施例中，在使原料處理氣體流入內部體積之前，藉由使原料處理氣體流過在加熱室與熱裂解設備之殼體之間的氣體預加熱區域來將原料處理氣體預加熱(例如，加熱至100℃至500℃)。在一些實施例中，使其中具有奈米顆粒之氣體流入內部體積且流過縱向細長反應區以與原料處理氣體混合，並且在奈米顆粒周圍形成固體產物之塗層(例如，石墨烯層)。 後處理高純度結構化碳
在一些實施例中，產生且收集本文所闡述之含有多壁球狀富勒烯(MWSF)或經連接之MWSF之碳奈米顆粒及聚集體，並且不進行後處理。在其他實施例中，產生且收集本文所闡述之含有多壁球狀富勒烯(MWSF)或經連接之MWSF之碳奈米顆粒及聚集體，並進行某種後處理。電磁狀態感測裝置所涉及之後處理之一些實例包括機械處理，諸如球磨、研磨、磨粉、微流體化及用來在不損壞MWSF之情況下減小粒徑之其他技術。後處理之一些其他實例包括剝蝕製程，諸如剪切混合、化學蝕刻、氧化(例如，Hummer法)、熱退火、藉由在退火期間添加元素(例如，硫、氮)進行摻雜、汽蒸、過濾及裂解(lypolizing)等。後處理之一些實例包括燒結製程，諸如火花電漿燒結(SPS)、直流燒結、微波燒結及紫外(UV)燒結，其可在惰性氣體中在高壓及高溫下進行。在一些實施例中，多個後處理方法可一起使用或連續使用。在一些實施例中，後處理產生含有多壁球狀富勒烯(MWSF)或經連接之MWSF之功能化碳奈米顆粒或聚集體。
在一些實施例中，材料以不同的組合混合在一起。在一些實施例中，在後處理之前將本文所闡述之含有MWSF或經連接之MWSF之不同碳奈米顆粒及聚集體混合在一起。例如，可將具有不同性質(例如，不同尺寸、不同組成、不同純度、來自不同處理遍次等)的含有MWSF或經連接MWSF之不同碳奈米顆粒及聚集體混合在一起。在一些實施例中，可將本文所闡述之含有MWSF或經連接之MWSF之碳奈米顆粒及聚集體與石墨烯混合，以改變混合物中經連接之MWSF與石墨烯之比。在一些實施例中，可在後處理之後將本文所闡述之包含MWSF或經連接之MWSF之不同碳奈米顆粒及聚集體混合在一起。例如，可將具有不同性質及/或不同後處理方法(例如，不同尺寸、不同組成、不同功能、不同表面性質、不同表面積)之含有MWSF或經連接MWSF之不同碳奈米顆粒及聚集體混合在一起。
在一些實施例中，產生且收集本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體，隨後藉由機械研磨、碾磨及/或剝蝕對其進行處理。在一些實施例中，處理(例如，藉由機械研磨、碾磨、剝蝕等)減小顆粒之平均尺寸。在一些實施例中，處理(例如，藉由機械研磨、碾磨、剝蝕等)增加顆粒之平均表面積。在一些實施例中，藉由機械研磨、碾磨及/或剝蝕進行之處理剪切掉碳層之某一部分，從而產生與碳奈米顆粒混合之石墨片。
在一些實施例中，使用球磨機、行星式磨機、棒磨機、剪切混合機、高剪切造粒機、自磨機，或用於藉由研磨、壓碎或切割使固體材料碎裂成較小片段之其他類型之機械加工來進行機械研磨或碾磨。在一些實施例中，濕式或乾式執行機械研磨、碾磨及/或剝蝕。在一些實施例中，藉由研磨一段時間，然後空轉一段時間，且重複研磨及空轉若干個循環來進行機械研磨。在一些實施例中，研磨期為1分鐘至20分鐘、或1分鐘至10分鐘、或3分鐘至8分鐘、或大約3分鐘、或大約8分鐘。在一些實施例中，空轉期為1分鐘至10分鐘、或大約5分鐘、或大約6分鐘。在一些實施例中，若干個研磨及空轉循環為1分鐘至100分鐘、或5分鐘至100分鐘、或10分鐘至100分鐘、或5分鐘至10分鐘、或5分鐘至20分鐘。在一些實施例中，研磨及空轉之總時間量為10分鐘至1200分鐘、或10分鐘至600分鐘、或10分鐘至240分鐘、或10分鐘至120分鐘、或100分鐘至90分鐘、或10分鐘至60分鐘、或大約90分鐘、或大約120分鐘。
在一些實施例中，藉由對於第一循環使磨機在一個方向上(例如，順時針)旋轉，然後對於下一個循環使磨機在相反方向上(例如，逆時針)旋轉來執行循環中之研磨步驟。在一些實施例中，使用球磨機進行機械研磨或碾磨，並且使用100至1000 rpm、或100至500 rpm、或大約400 rpm之旋轉速度進行研磨步驟。在一些實施例中，使用球磨機執行機械研磨或碾磨，該球磨機使用具有0.1 mm至20 mm、或0.1 mm至10 mm、或1 mm至10 mm、或大約0.1 mm、或大約1 mm、或大約10 mm之直徑之碾磨介質。在一些實施例中，使用球磨機進行機械研磨或碾磨，該球磨機使用由金屬(諸如鋼)、氧化物(諸如氧化鋯(zirconium oxide/zirconia)、氧化釔穩定之氧化鋯、二氧化矽、氧化鋁、氧化鎂)或其他硬質材料(諸如碳化矽或碳化鎢)構成之碾磨介質。
在一些實施例中，產生且收集本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體，隨後使用高溫(諸如熱退火或燒結)對其進行處理。在一些實施例中，使用高溫之處理在惰性環境(諸如氮氣或氬氣)中進行。在一些實施例中，使用高溫之處理在大氣壓下、或在真空下、或在低壓下進行。在一些實施例中，使用高溫之處理在500℃至2500℃、或500℃至1500℃、或800℃至1500℃、或800℃至1200℃、或800℃至1000℃、或2000℃至2400℃、或大約800℃、或大約1000℃、或大約1500℃、或大約2000℃、或大約2400℃之溫度下進行。
在一些實施例中，產生且收集本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體，隨後，在後處理步驟中，將額外元素或化合物添加至碳奈米顆粒，從而將碳奈米顆粒及聚集體之獨特性質併入其他材料混合物中。
在一些實施例中，在後處理之前或之後，將本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體添加至其他元素或化合物之固體、液體或漿液中，以形成併入了碳奈米顆粒及聚集體之獨特性質之額外材料混合物。在一些實施例中，將本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體與其他固體顆粒、聚合物或其他材料混合。
在一些實施例中，在後處理之前或之後，本文所闡述之碳奈米顆粒及聚集體在除了與電磁狀態感測裝置有關之應用之外的各種應用中使用。此等應用包括但不限於運輸應用(例如，汽車及卡車輪胎、聯軸器、減振座、彈性體o形圈、軟管、密封劑、墊圈等)及工業應用(例如，橡膠添加劑、用於聚合物材料之功能化添加劑、環氧樹脂添加劑等)。
圖10A及10B示出已經合成之碳奈米顆粒之透射電子顯微鏡(TEM)影像。圖10A(在第一放大率下)及圖10B(在第二放大率下)之碳奈米顆粒含有經連接之多壁球狀富勒烯1002(MWSF)與塗覆經連接之MWSF之石墨烯層1004。由於相對短的共振時間，MWSF與石墨烯同素異形體之比在此實例中為大約80%。圖10A中之MWSF之直徑為大約5 nm至10 nm，並且使用上述條件，直徑可為5 nm至500 nm。在一些實施例中，橫貫MWSF之平均直徑在5 nm至500 nm、或5 nm至250 nm、或5 nm至100 nm、或5 nm至50 nm、或10 nm至500 nm、或10 nm至250 nm、或10 nm至100 nm、或10 nm至50 nm、或40 nm至500 nm、或40 nm至250 nm、或40 nm至100 nm、或50 nm至500 nm、或50 nm至250 nm、或50 nm至100 nm之範圍內。在此方法中不使用催化劑，因此，沒有含有污染物之中心種子。在此實例中產生之聚集顆粒具有大約10 µm至100 µm、或大約10 µm至500 µm之粒徑。
圖10C示出使用532 nm入射光獲得的此實例中之已經合成之聚集體之拉曼光譜。在此實例中產生之聚集體之I D/I G為約0.99至1.03，其指示聚集體由具有高有序度之碳同素異形體構成。
圖10D及圖10E示出藉由在球磨機中研磨進行尺寸減小之後的碳奈米顆粒之例示性TEM影像。在具有3分鐘逆時針研磨步驟、繼之以6分鐘空轉步驟、繼之以3分鐘順時針研磨步驟、繼之以6分鐘空轉步驟的循環中執行球磨。使用400 rpm之旋轉速度執行研磨步驟。碾磨介質為氧化鋯，並且其尺寸在0.1 mm至10 mm的範圍內。總的尺寸減小處理時間為60分鐘至120分鐘。在尺寸減小之後，在此實例中產生之聚集顆粒具有大約1 μm至5 μm之粒徑。在尺寸減小之後的碳奈米顆粒為經連接之MWSF與塗覆經連接之MWSF之石墨烯層。
圖10F示出使用532 nm入射光獲得的來自尺寸減小之後的此等聚集體之拉曼光譜。尺寸減小之後的此實例中之聚集顆粒之I D/I G為大約1.04。另外，尺寸減小之後的顆粒具有大約40 m 2/g至50 m 2/g之布魯諾、埃梅特及特勒(BET)比表面積。
使用質譜法及x射線螢光(XRF)光譜法量測在此樣品中產生之聚集體之純度。在16個不同批次中量測之碳與氫以外的其他元素之比為99.86%至99.98%，帶有平均99.94%碳。
在此實例中，使用熱線熱處理系統產生碳奈米顆粒。前驅物材料為甲烷，其流速為1 slm至5 slm。在此等流速及工具幾何形狀下，反應室中氣體之共振時間為大約20秒至30秒，並且碳顆粒產生速率為大約20 g/hr。
關於此種處理系統之進一步細節可在先前提及之標題為「CRACKING OF A PROCESS GAS」之美國專利9,862,602中找到。
圖10G、圖10H及圖10I示出此實例之已經合成之碳奈米顆粒之TEM影像。碳奈米顆粒含有經連接之多壁球狀富勒烯(MWSF)與塗覆經連接之MWSF之石墨烯層。多壁富勒烯與石墨烯同素異形體之比在此實例中為大約30%，此係由於相對長的共振時間允許更厚或更多的石墨烯層塗覆MWSF。在此方法中不使用催化劑，因此，沒有含有污染物之中心種子。在此實例中產生之已經合成之聚集顆粒具有大約10 μm至500 μm之粒徑。圖10J示出來自此實例之聚集體之拉曼光譜。此實例中之已經合成之顆粒之拉曼特徵指示在已經合成之材料中之塗覆MWSF的較厚石墨烯層。另外，已經合成之顆粒具有大約90 m 2/g至100 m 2/g之布魯諾、埃梅特及特勒(BET)比表面積。
圖10K及圖10L示出此實例之碳奈米顆粒之TEM影像。具體而言，影像繪示在藉由在球磨機中研磨來執行尺寸減小之後的碳奈米顆粒。尺寸減小處理條件與關於前述圖10G至圖10J所闡述的尺寸減小處理條件相同。在尺寸減小之後，在此實例中產生之聚集顆粒具有大約1 μm至5 μm之粒徑。TEM影像示出，在尺寸減小之後可觀察到埋在石墨烯塗層中之經連接之MWSF。圖10M示出使用532 nm入射光獲得的來自尺寸減小之後的此實例之聚集體之拉曼光譜。尺寸減小之後的此實例中之聚集顆粒之I D/I G為大約1，其指示在已經合成時埋在石墨烯塗層中之經連接之MWSF在尺寸減小之後變得在拉曼法中可偵測，並且排序良好。尺寸減小之後的顆粒具有大約90 m 2/g至100 m 2/g之布魯諾、埃梅特及特勒(BET)比表面積。
圖10N係碳聚集體之掃描電子顯微鏡(SEM)影像，其示出第一放大率下之石墨及石墨烯同素異形體。圖10O係碳聚集體之SEM影像，其示出第二放大率下之石墨及石墨烯同素異形體。層狀石墨烯清晰地顯示於碳之變形(皺褶)內。碳同素異形體之3D結構亦可見。
圖10P中示出圖10N及圖10O之碳顆粒之粒徑分佈。基於質量之累積粒徑分佈1006對應於曲線圖中之左側y軸(Q 3(x) [%])。質量粒徑分佈1008之直方圖對應於曲線圖中之右軸(dQ 3(x) [%])。中值粒徑為大約33 μm。第10百分位粒徑為大約9 μm，並且第90百分位粒徑為大約103 μm。顆粒之質量密度為大約10 g/L。
圖10Q中示出自多級反應器捕獲之碳顆粒之粒徑分佈。基於質量之累積粒徑分佈1014對應於曲線圖中之左側y軸(Q 3(x) [%])。質量粒徑分佈1016之直方圖對應於曲線圖中之右軸(dQ 3(x) [%])。捕獲之中值粒徑為大約11 μm。第10百分位粒徑為大約3.5 μm，並且第90百分位粒徑為大約21 μm。圖10Q中之曲線圖亦示出基於數目之累積粒徑分佈1018，其對應於曲線圖中之左側y軸(Q 0(x) [%])。基於數目之中值粒徑為大約0.1 μm至大約0.2 μm。收集之顆粒之質量密度為大約22 g/L。
回到圖10P之論述，該曲線圖亦示出第二組例示性結果。具體而言，在此實例中，藉由機械研磨使顆粒尺寸減小，然後使用旋風分離器處理尺寸減小之顆粒。在此實例中捕獲之尺寸減小之碳顆粒的基於質量之累積粒徑分佈1010對應於曲線圖中之左側y軸(Q 3(x) [%])。基於質量之粒徑分佈1012之直方圖對應於曲線圖中之右軸(dQ 3(x) [%])。在此實例中捕獲之尺寸減小之碳顆粒之中值粒徑為大約6 μm。第10百分位粒徑為1 μm至2 μm，並且第90百分位粒徑為10 μm至20 μm。
關於製造及使用旋風分離器之進一步細節可在2017年10月5日申請之標題為「MICROWAVE REACTOR SYSTEM WITH GAS-SOLIDS SEPARATION」之美國專利申請案15/725,928中找到，該專利申請案以全文引用的方式併入本文中。 使用微波反應器系統產生之高純度碳同素異形體
在一些情況下，可使用微波電漿反應器系統產生含有石墨、石墨烯及非晶形碳之碳顆粒及聚集體，該微波電漿反應器系統使用含有甲烷、或含有異丙醇(IPA)、或含有乙醇、或含有縮合烴(例如，己烷)之前驅物材料。在一些其他實例中，含碳前驅物視情況地與供應氣體(例如，氬氣)混合。在此實例中產生之顆粒含有石墨、石墨烯、非晶形碳，且不含種子顆粒。此實例中之顆粒具有大約99.5%或更大之碳與其他元素(氫以外)之比。
在一個特定實例中，烴係微波電漿反應器之輸入材料，並且反應器之分離輸出物包括氫氣及含有石墨、石墨烯及非晶形碳之碳顆粒。在多級氣-固分離系統中將碳顆粒與氫氣分離。來自反應器之分離輸出物之固體負載量為0.001 g/L至2.5 g/L。
圖10R、圖10S及圖10T係已經合成之碳奈米顆粒之TEM影像。影像示出石墨、石墨烯及非晶形碳同素異形體之實例。石墨烯及其他碳材料之層在影像中清晰可見。
圖10U中示出捕獲之碳顆粒之粒徑分佈。基於質量之累積粒徑分佈1020對應於曲線圖中之左側y軸(Q 3(x) [%])。質量粒徑分佈之直方圖1022對應於曲線圖中之右軸(dQ 3(x) [%])。在旋風分離器中捕獲之中值粒徑在此實例中為大約14 μm。第10百分位粒徑為大約5 μm，並且第90百分位粒徑為大約28 μm。圖10U中之曲線圖亦示出基於數目之累積粒徑分佈1024，其對應於曲線圖中左y軸(Q 0(x) [%])。在此實例中基於數目之中值粒徑為大約0.1 μm至大約0.2 μm。
圖10V、圖10W及圖10X以及圖10Y係示出生長至其他三維結構上之三維含碳結構之影像。圖10V係生長至碳纖維上之三維碳結構之100倍放大，而圖10W係生長至碳纖維上之三維碳結構之200倍放大。圖10X係生長至碳纖維上之三維碳結構之1601倍放大。示出纖維表面上之三維碳生長。圖10Y係生長至碳纖維上之三維碳結構之10000倍放大。影像繪示了生長至基底平面上以及生長至邊緣平面上。
更具體而言，圖10V至圖10Y示出使用來自微波電漿反應器之電漿能量以及來自熱反應器之熱能生長至纖維上之3D碳材料的例示性SEM影像。圖10V示出交叉的纖維1031及1032之SEM影像，其中3D碳材料1030生長於纖維表面上。圖10W係示出纖維1032上之3D碳生長1030之更高放大率影像(與圖10V之500 μm相比，比例尺為300 μm)。圖10X係示出纖維表面1035上之3D碳生長1030之進一步放大的視圖(比例尺為40 μm)，其中碳生長1030之3D性質清晰可見。圖10Y示出單獨的碳之近距離視圖(比例尺為500 nm)，其示出生長於纖維上之3D碳材料之諸多亞顆粒之基底平面1036與邊緣平面1034之間的互連。圖10V至圖10Y示出根據一些實施例之在3D纖維結構上生長3D碳之能力，諸如在3D碳纖維上生長之3D碳生長。
在一些實施例中，可藉由將複數個纖維引入微波電漿反應器中且在微波反應器中使用電漿對纖維進行蝕刻來達成纖維上之3D碳生長。蝕刻產生成核位點，使得當在反應器中藉由烴解離產生碳顆粒及亞顆粒時，在此等成核位點處開始生長3D碳結構。3D碳結構在本身實際上為三維結構的纖維上之直接生長提供了高度整合之具有孔的3D結構，樹脂可滲透至該等孔中。與具有光滑表面並且光滑表面通常自樹脂基質分層之習知纖維之複合物相比，用於樹脂複合物之此3D增強基質(包括與高縱橫比增強纖維整合之3D碳結構)導致增強之材料性質，諸如拉伸強度及剪切力。 對碳進行功能化
在一些實施例中，可對碳材料(諸如本文所闡述之3D碳材料)進行功能化以促進黏附及/或添加元素，諸如氧、氮、碳、矽或硬化劑。在一些實施例中，碳材料可原位功能化—即，在產生碳材料之同一反應器內功能化。在一些實施例中，碳材料可在後處理中功能化。例如，富勒烯或石墨烯之表面可用含氧或含氮物質功能化，該等物質與樹脂基質之聚合物形成鍵，從而改良黏附且提供強力黏結以增強複合物之強度。
實施例包括利用本文所闡述之電漿反應器(例如，微波電漿反應器)對碳(例如，CNT、CNO、石墨烯、3D碳材料，諸如3D石墨烯)進行功能化表面處理。各種實施例可包括在碳材料之形成期間進行的原位表面處理，該等碳材料可與複合材料中之黏結劑或聚合物組合。各種實施例可包括在碳材料形成之後，在碳材料仍處於反應器內時進行的表面處理。
由上述討論，將可理解，本發明可以多種實施例形式體現，包含但不限於下列： 實施例1.     一種方法，其包含： 接收來自一使用者裝置之下載一應用程式之一請求； 回應於來自該使用者裝置之該請求而提供對該應用程式之存取，其中該應用程式經組態以： 傳輸一第一電磁輻射ping命令； 自貼附至產品包裝之一第一電磁狀態感測裝置(EMSSD)接收一第一電磁輻射回覆信號，其中該第一電磁輻射回覆信號由該第一電磁狀態感測裝置回應於該第一電磁輻射ping命令進行轉換以產生一電磁輻射信號，該電磁輻射信號至少對包含一產品識別碼之第一資訊進行編碼； 應用至少部分地基於該產品識別碼來選擇之一規則； 傳輸至少部分地基於該規則來調諧之一第二電磁輻射ping命令； 自該第一電磁狀態感測裝置接收一第二電磁輻射回覆信號，該第二電磁輻射回覆信號對與該產品包裝內之內容物有關之第二資訊進行編碼；並且 自該使用者裝置將該第二資訊之至少一部分發送至一上游計算裝置。 實施例2.     如實施例1之方法，其中該第一電磁狀態感測裝置係貼附至該產品包裝之一印刷電磁狀態感測裝置。 實施例3.     如實施例2之方法，其中該印刷電磁狀態感測裝置包含一第一含碳油墨。 實施例4.     如實施例3之方法，其中該印刷電磁狀態感測裝置進一步包含一第二含碳油墨，該第二含碳油墨具有與該第一含碳油墨不同的一分子結構。 實施例5.     如實施例2之方法，其中當該產品包裝內之該等內容物處於一第一狀態時，該印刷電磁狀態感測裝置發射該第二電磁輻射回覆信號之一第一變型，並且其中當該產品包裝內之該等內容物處於一第二狀態時，該印刷電磁狀態感測裝置發射該第二電磁輻射回覆信號之一第二變型。 實施例6.     如實施例1之方法，其中該第一電磁狀態感測裝置係縱向印刷在該產品包裝上之一印刷電磁狀態感測裝置。 實施例7.     如實施例1之方法，其中該第一電磁輻射回覆信號具有跨第一複數個頻率分佈之能量，並且由該使用者裝置發射，其中該使用者裝置係一行動裝置。 實施例8.     如實施例7之方法，其中該第一電磁輻射回覆信號由該行動裝置之一電磁發射裝置發射。 實施例9.     如實施例8之方法，其中該第一電磁輻射回覆信號由該行動裝置之一近場通信裝置發射。 實施例10.   如實施例1之方法，其中該應用程式進一步經組態以回應於與該產品包裝內之該等內容物有關之該第二資訊而發出一補貨訂單。 實施例11.   如實施例1之方法，其中該應用程式進一步經組態以回應於與該產品包裝內之該等內容物有關之該第二資訊而發送一通知訊息。 實施例12.   如實施例11之方法，其中該通知訊息包含數量指示、過期日期、再填充日期、再填充計數、批號、化學組成或濃度指示中之至少一者。 實施例13.   如實施例1之方法，其中該應用程式進一步經組態以維護與該產品包裝內之該等內容物有關之該第二資訊中之至少一些資訊的一日誌。 實施例14.   如實施例13之方法，其中該日誌由一網路存取點維護。 實施例15.   如實施例14之方法，其中該網路存取點接收一語音啟動式命令。 實施例16.   如實施例13之方法，其中該日誌包含與該第二資訊之該部分相對應之一條目。 實施例17.   如實施例1之方法，其中該應用程式進一步經組態以自貼附至該產品包裝之一第二電磁狀態感測裝置(EMSSD)接收一電磁輻射信號，其中該電磁輻射信號由該第二電磁狀態感測裝置進行轉換。 實施例18.   如實施例1之方法，其中該使用者裝置係一智能手機。 實施例19.   如實施例1之方法，其中該使用者裝置包含一固定的RFID讀取器。 實施例20.   如實施例1之方法，其中該上游計算裝置包含具有一RFID讀取器之一詢問器裝置。
在前述說明書中，本揭示內容已經參考其具體實施例來闡述。然而將顯而易見，在不脫離本揭示內容之更廣泛精神及範疇之情況下，可對其進行各種修改及改變。例如，上述處理流程係參考處理動作之特定定序來闡述的。然而，在不影響本揭示內容之範疇或操作的情況下，可改變諸多所闡述之處理動作之定序。應以說明性意義而非限制性意義來看待說明書及附圖。
100:環境 101 1:感測器 101 2:感測器 101 3:感測器 102 1:ping命令 102 2:ping命令 102 3:ping命令 102 4:ping命令 102 5:ping命令 102 6:ping命令 103 1:回覆 103 2:回覆 103 3:回覆 103 4:回覆 103 5:回覆 103 6:回覆 105 :語音啟動式命令 106 :集線器 107 :通知 108 :內部網路 110:感測器資料處理模組 114:小區塔 117:使用者裝置 121:規則集 122:規則 125 1:上游訊息 125 2:上游訊息 126 1:下游訊息 126 2:下游訊息 127:日誌 129 1:自主履行路徑 129 2:自主履行路徑 131:類型1行動裝置 132:類型2行動裝置 133:詢問器裝置 137 1:應用程式 137 2:應用程式 137 3:應用程式 200:處理流程 202:步驟 204:步驟 205:應用程式操作 206:步驟 208:步驟 209:EMSSD規則 210:步驟 211:履行規則 212:步驟 214:步驟 216:步驟 218:步驟 220:迴圈 252:應用程式 254:網路可存取位置 256:請求裝置 261:識別部分 262:狀態部分 3A00:電磁狀態感測裝置 3B100:部署情境 3B200:部署情境 3B300:部署情境 3B400:部署情境 3C00:選擇圖 301:第一共振部分 302:第二共振部分 303:第三共振部分 399:第N共振部分 3990:狀態顯示器 3991:碳基質 3992:基板 3993:第一電極層 3994:電泳油墨 3995:第二電極層 3996:碳顆粒 3997:能量獲取天線 4A100:等效電路模型 4A200:等效電路模型 4B00:經驗性資料捕獲技術 461:狀態 裝滿情境 462:狀態 幾乎已空情境 463:狀態 半滿情境 5A00:簽章捕獲技術 5B00:簽章分析技術 504 1:第一EMSSD 504 2:第二EMSSD 510 1:啾頻信號 510 2:啾頻信號 512 1:回覆信號 512 2:回覆信號 514:收發器 516:ping命令控制單元 550:量測值 554:簽章分析模組 570:步驟 572:步驟 574:步驟 576:簽章 578 1:第一簽章 578 2:第二簽章 578 N:第N簽章 580:決策 582:步驟 584:步驟 586:校準點 588 1:第一校準點 588 2:第二校準點 590:步驟 600:虛擬助理 602:NFC單元 604:藍芽低能量(BLE)單元 606:Wi-Fi單元 620:補貨訂單 622:補貨狀態 7A00:規則編碼技術 7B00:規則執行技術 701:事件 702:步驟 703:識別信號 704:步驟 706:步驟 708:步驟 710:步驟 712:步驟 715:規則表示 720:ping命令頻率表 752:步驟 754:步驟 756:步驟 758:步驟 760:步驟 757:格式化表 800:協定 801:附近EMSSD 802:使用者裝置 803:網路集線器 804:上游處理單元 806:發射 807:發射 808:發射 810:操作 812:訊息 814:操作 816:有效載荷訊息 818:執行第一上游處理 820:訊息 822:訊息 824:確定第二至第N ping信號特性 826:發射 828:發射 830:發射 832:操作 834:訊息 836:操作 838:訊息 842:執行第二上游處理 844:訊息 846:訊息 847:操作 848:訊息 850:訊息 852:操作 900:系統 905:通信路徑 910:模組 920:模組 930:模組 940:模組 950:模組 960:模組 970:模組 980:模組 1002:多壁球狀富勒烯 1004:石墨烯層 1006:基於質量之累積粒徑分佈 1008:質量粒徑分佈 1010:基於質量之累積粒徑分佈 1012:基於質量之粒徑分佈 1014:基於質量之累積粒徑分佈 1016:質量粒徑分佈 1018:基於數量之累積粒徑分佈 1020:基於質量之累積粒徑分佈 1022:質量粒徑分佈 1024:基於數量之累積粒徑分佈 10303D:碳材料 1031:纖維 1032:纖維 1034:邊緣平面 1035:纖維表面 1036:基底平面 C 1:電容器 C 2:電容器 f:頻率 f 1:頻率 f 2:頻率 L:電感 L 1:電感器 L 2:電感器 R ENV1:經驗性回應 R ENV2:經驗性回應 X L :電感電抗分量 Z:電阻抗 μ:磁導率 ɛ:電容率
在本文中且在附圖及申請專利範圍中闡述了技術實施例之態樣、目標及優點之進一步細節。
圖 1繪示根據一實施例之可在其中部署電磁狀態感測裝置之環境。
圖 2呈現繪示根據一實施例之可藉以部署電磁狀態感測裝置的處理流程之流程圖。
圖 3A係根據一實施例之電磁狀態感測裝置之示意圖。
圖 3B1示出根據一實施例之量測液體內容物之第一狀態之部署情境。
圖 3B2示出根據一實施例之量測液體內容物之第二狀態之部署情境。
圖 3B3示出根據一實施例之量測且顯示液體內容物之狀態之部署情境。
圖 3B4示出根據一實施例之用於指示產品之內容物狀態的印刷顯示器之剖視圖。
圖 3C係根據一實施例之用於確定電磁狀態感測裝置之動態範圍之選擇圖。
圖 4A1及 圖 4A2係根據一實施例之分別在第一環境及第二環境中之電磁狀態感測裝置之等效電路模型。
圖 4B繪示根據一實施例之用於校準不同環境中之電磁狀態感測裝置之經驗性資料捕獲技術。
圖 5A繪示根據一實施例之用於電磁狀態感測之簽章捕獲技術。
圖 5B繪示根據一實施例之用於電磁狀態感測之簽章分析技術。
圖 6繪示根據一實施例之在補貨系統中用作集線器之虛擬助理。
圖 7A呈現根據一實施例之在基於電磁狀態感測裝置之補貨系統中使用之規則編碼技術。
圖 7B呈現根據一實施例之在基於電磁狀態感測裝置之補貨系統中使用之規則執行技術。
圖 8繪示根據一個實施例之在基於電磁狀態感測裝置之補貨系統中使用之例示性協定。
圖 9繪示作為計算模組之配置之系統組件，該等計算模組經互連以便實現本文揭示之某些實施例。
圖 10A至 圖 10Y繪示根據一些實施例之結構化碳、各種碳奈米顆粒、各種碳基聚集體及在其他材料上生長之各種三維含碳組合件。
100:環境
1011:感測器
1012:感測器
1013:感測器
1021:ping命令
1022:ping命令
1023:ping命令
1024:ping命令
1025:ping命令
1026:ping命令
1031:回覆
1032:回覆
1033:回覆
1034:回覆
1035:回覆
1036:回覆
105:語音啟動式命令
106:集線器
107:通知
108:內部網路
110:感測器資料處理模組
114:小區塔
117:使用者裝置
121:規則集
122:規則
1251:上游訊息
1252:上游訊息
1261:下游訊息
1262:下游訊息
127:日誌
1291:自主履行路徑
1292:自主履行路徑
131:類型1行動裝置
132:類型2行動裝置
133:詢問器裝置
1371:應用程式
1372:應用程式
1373:應用程式

Claims (20)

  1. 一種無線裝置，其包含： 一收發器； 一或多個處理器；以及 一記憶體，其儲存有數個指令，該等指令在由該一或多個處理器執行時，致使該無線裝置連同該收發器一起進行數個操作，該等操作包括： 在一容器附近傳輸一電磁ping命令； 回應於該電磁ping命令自該容器接收一第一回覆信號，該第一回覆信號具有基於該電磁ping命令之一頻率及一第一共振部分之一共振頻率，該第一共振部分係使用一或多個第一碳基墨水列印在該容器之一表面上；及 回應於該電磁ping命令自該容器接收一第二回覆信號，該第二回覆信號具有基於該電磁ping命令之一頻率及一第二共振部分之一共振頻率，該第二共振部分係使用一或多個第二碳基墨水列印在該容器之該表面上。
  2. 如請求項1之無線裝置，其中該無線裝置包含一智能手機、一平板電腦、一智能手錶、一膝上型電腦、一桌上型電腦、一無線集線器、一射頻識別(RFID)收發器或一近場通信(NFC)裝置。
  3. 如請求項1之無線裝置，其中該第一回覆信號指出一物品是否存在於該容器內。
  4. 如請求項3之無線裝置，其中該第二回覆信號指出存在於該容器中之該物品的數量或效力。
  5. 如請求項1之無線裝置，其中該一或多個第一碳基墨水係不同於該一或多個第二碳基墨水。
  6. 如請求項1之無線裝置，其中該第一共振部分之該共振頻率係不同於該第二共振部分之該共振頻率。
  7. 如請求項1之無線裝置，其中該無線裝置包括一應用程式，該應用程式在由該一或多個處理器執行時，致使該無線裝置傳輸該電磁ping命令。
  8. 如請求項1之無線裝置，其中該第一共振部分具有與該第二共振部分不同的一不同物理幾何形狀。
  9. 如請求項1之無線裝置，其中該第一共振部分具有與該第二共振部分不同的一不同尺寸。
  10. 如請求項1之無線裝置，其中該第一共振部分及該第二共振部分各包括列印在該容器之該表面上之三維(3D)含碳結構的一各別組合件。
  11. 如請求項1之無線裝置，其中該第一共振部分或該第二共振部分中之至少一者之一共振頻率係至少部分基於該容器之一磁導率。
  12. 一種由一收發器及一無線裝置之一或多個處理器進行之方法，該方法包含： 在一容器附近傳輸一電磁ping命令； 回應於該電磁ping命令自該容器接收一第一回覆信號，該第一回覆信號具有基於該電磁ping命令之一頻率及一第一共振部分之一共振頻率，該第一共振部分係使用一或多個第一碳基墨水列印在該容器之一表面上；以及 回應於該電磁ping命令自該容器接收一第二回覆信號，該第二回覆信號具有基於該電磁ping命令之一頻率及一第二共振部分之一共振頻率，該第二共振部分係使用一或多個第二碳基墨水列印在該容器之該表面上。
  13. 如請求項12之方法，其中該無線裝置包含一智能手機、一平板電腦、一智能手錶、一膝上型電腦、一桌上型電腦、一無線集線器、一射頻識別(RFID)收發器或一近場通信(NFC)裝置。
  14. 如請求項12之方法，其中該第一回覆信號指出一物品是否存在於該容器內。
  15. 如請求項14之方法，其中該第二回覆信號指出存在於該容器中之該物品的數量或效力。
  16. 如請求項12之方法，其中該第一共振部分之該共振頻率係不同於該第二共振部分之該共振頻率。
  17. 如請求項12之方法，其中該收發器係使用一應用程式來控制，該應用程式常駐在該無線裝置之記憶體中。
  18. 如請求項12之方法，其中該第一共振部分具有與該第二共振部分不同的一不同物理幾何形狀。
  19. 如請求項12之方法，其中該第一共振部分具有與該第二共振部分不同的一不同尺寸。
  20. 如請求項12之方法，其中該第一共振部分或該第二共振部分中之至少一者之一共振頻率係至少部分基於該容器之一磁導率。
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