ITTO20130910A1 - Dispositivo trasduttore acustico microelettromeccanico con migliorate funzionalita' di rilevamento e relativo apparecchio elettronico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO TRASDUTTORE ACUSTICO MICROELETTROMECCANICO CON MIGLIORATE FUNZIONALITA' DI RILEVAMENTO E RELATIVO APPARECCHIO ELETTRONICO”

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo trasduttore acustico microlettromeccanico (nel seguito MEMS, da Micro Electro Mechanical Systems) avente migliorate funzionalità (“features”) di rilevamento, e ad un relativo apparecchio elettronico.

È noto il crescente utilizzo, ad esempio in apparecchi elettronici portatili, quali ad esempio tablet, smartphone, riproduttori di audio digitale, foto o videocamere, console per videogames, di trasduttori acustici (microfoni) includenti strutture di rilevamento micromeccaniche realizzate, almeno in parte, con materiali semiconduttori e con la tecnologia dei MEMS.

Un trasduttore acustico MEMS comprende generalmente: una struttura di rilevamento micromeccanica, atta a trasdurre la grandezza meccanica da rilevare (in particolare onde di pressione acustica) in una grandezza elettrica (ad esempio una variazione capacitiva, nel caso di strutture di rilevamento capacitive); ed un circuito elettronico di lettura, solitamente realizzato in forma integrata come ASIC (Application Specific Integrated Circuit), atto ad effettuare opportune operazioni di elaborazione (tra cui operazioni di amplificazione e filtraggio) della grandezza elettrica trasdotta in modo da fornire un segnale elettrico di uscita, analogico (ad esempio una tensione elettrica), o digitale (ad esempio un segnale PDM, Pulse Density Modulation, in modulazione a densità di impulsi). Tale segnale elettrico viene quindi reso disponibile per un apparecchio elettronico esterno (cosiddetto ospite) incorporante il trasduttore acustico, ad esempio viene ricevuto in ingresso da un’unità di controllo a microprocessore dello stesso apparecchio elettronico.

La struttura di rilevamento micromeccanica di un trasduttore acustico MEMS di tipo capacitivo comprende generalmente un elettrodo mobile, realizzato come diaframma o membrana, disposto affacciato ad un elettrodo sostanzialmente fisso. L’elettrodo mobile è generalmente ancorato, mediante una sua porzione perimetrale, ad un substrato, mentre una sua porzione centrale è libera di muoversi o flettersi in risposta ad onde di pressione acustica incidenti su una sua superficie. L’elettrodo mobile e l’elettrodo fisso realizzano i piatti di un condensatore di rilevamento, e la flessione della membrana che costituisce l’elettrodo mobile causa una variazione di capacità di tale condensatore di rilevamento.

Un trasduttore acustico MEMS di tipo noto è ad esempio descritto nella domanda di brevetto US 2010/0158279 A1, a nome della Richiedente.

I trasduttori acustici MEMS presentano caratteristiche vantaggiose, tra cui dimensioni estremamente compatte, ridotti consumi e buone prestazioni elettriche, e possono essere utilizzati ad esempio per la realizzazione di interfacce utente (UI – User Interface) per apparecchi elettronici portatili, in particolare per fornire la possibilità di impartire comandi vocalmente (tramite suoni o parlato).

A questo riguardo, soluzioni note prevedono l’utilizzo di un trasduttore acustico per rilevare i segnali sonori, ed un modulo software eseguito all’interno dell’unità di controllo a microprocessore dell’apparecchio elettronico ospite, per l’esecuzione di algoritmi dedicati al riconoscimento vocale (attività nota come “VAD – Voice Activity Detection” o “Speech Activity Detection” o semplicemente “Speech Detection”, o ancora come “ASR – Automatic Speech Recognition”) ed all’attivazione di corrispondenti funzioni all’interno dell’interfaccia utente.

Tali soluzioni presentano tuttavia alcuni problemi, che non consentono di sfruttarne appieno le caratteristiche vantaggiose.

In particolare, a causa dei requisiti di consumo energetico, particolarmente stringenti nel caso degli apparecchi elettronici portatili, tipicamente si richiede che il modulo di riconoscimento vocale venga disattivato al termine di un determinato periodo di rilevamento, o posto in una modalità a ridotto consumo energetico.

Di conseguenza, le funzionalità di riconoscimento vocale non possono essere operative in maniera continuativa nel tempo, e tipicamente richiedono la pressione di un tasto (o l’esecuzione di un’operazione analoga) da parte dell’utente per la loro riattivazione, ovvero per l’avvio dell’analisi dell’attività sonora ed il “risveglio” del modulo di riconoscimento vocale.

Inoltre, il modulo di riconoscimento vocale costituisce soltanto uno dei vari moduli operativi che sono gestiti dall’unità di controllo a microprocessore dell’apparecchio elettronico che ospita il trasduttore acustico. Di conseguenza, il riconoscimento vocale può talvolta essere eseguito con un certo ritardo, ad esempio nel caso in cui lo stesso circuito di controllo sia impegnato in altre funzioni, ed in ogni caso l’esecuzione del modulo di riconoscimento vocale può impedire che altre importanti operazioni vengano eseguite dall’unità di controllo a microprocessore ed in ogni caso costituisce un carico computazionale aggiuntivo per la stessa unità di controllo.

È dunque sentita l’esigenza di fornire una soluzione che consenta di superare gli svantaggi delle soluzioni note.

Scopo della presente invenzione è quello di soddisfare tale esigenza.

Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un dispositivo trasduttore acustico MEMS, ed un relativo apparecchio elettronico, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- le figure 1-3 mostrano rispettivi schemi a blocchi di varianti di un trasduttore acustico MEMS, secondo la presente soluzione;

- la figura 4 è un diagramma di flusso relativo ad operazioni svolte nel trasduttore acustico MEMS di figure 1-3;

- le figure 5-6 mostrano rispettivi schemi a blocchi di varianti di un apparecchio elettronico che incorpora il trasduttore acustico MEMS;

- la figura 7 mostra uno schema a blocchi maggiormente dettagliato di una forma di realizzazione di un trasduttore acustico MEMS;

- le figure 8a-8c mostrano grafici di grandezze elettriche relative al trasduttore acustico MEMS di figura 7;

- la figura 9 mostra uno schema a blocchi maggiormente dettagliato di una ulteriore forma di realizzazione di un trasduttore acustico MEMS;

- le figure 10a-10b mostrano grafici di grandezze elettriche relative al trasduttore acustico MEMS di figura 9;

- le figure 11-17 mostrano rispettivi schemi a blocchi di ancora ulteriori forme di realizzazione di un trasduttore acustico MEMS; e

- le figure 18a-18b mostrano grafici di grandezze elettriche relative al trasduttore acustico MEMS di figura 17.

Con riferimento alla figura 1, viene ora descritto un dispositivo trasduttore acustico MEMS, indicato in generale con 1, realizzato secondo la presente soluzione.

Il dispositivo trasduttore acustico 1 comprende una struttura di rilevamento micromeccanica 2, di tipo noto (qui non descritto in dettaglio), ad esempio di tipo capacitivo (e per questo rappresentata come un condensatore a capacità variabile nella figura 1 e nelle figure seguenti), ed un circuito elettronico integrato 4 (nel seguito circuito ASIC 4), accoppiato elettricamente ed operativamente alla struttura di rilevamento micromeccanica 2.

Il dispositivo trasduttore acustico 1 comprende inoltre un contenitore (package) 5, che racchiude al suo interno la struttura di rilevamento micromeccanica 2 ed il circuito ASIC 4, costituendone l’interfaccia meccanica ed elettrica nei confronti dell’ambiente esterno, ad esempio consentendo l’introduzione di onde di pressione acustica, per il rilevamento da parte della struttura di rilevamento micromeccanica 2, ed il collegamento elettrico verso l’esterno del circuito ASIC 4.

In modo noto, la struttura di rilevamento micromeccanica 2 trasduce le onde di pressione acustica provenienti dall’ambiente esterno in una grandezza elettrica (in particolare, una variazione capacitiva).

Il circuito ASIC 4 comprende un modulo di lettura 4a, che riceve in ingresso la grandezza elettrica trasdotta e la elabora (ad esempio mediante operazioni di amplificazione e filtraggio), per generare e fornire un segnale elettrico di uscita, in particolare un segnale audio Sa, rappresentativo delle onde di pressione acustica rilevate dalla struttura di rilevamento micromeccanica 2. Come sarà descritto più in dettaglio in seguito, il modulo di lettura 4a comprende: uno stadio di trasduzione, ad esempio includente un preamplificatore (nel caso di un’implementazione analogica), che riceve la grandezza elettrica e fornisce un segnale elettrico trasdotto; eventuali opportuni stadi di ulteriore elaborazione; ed uno stadio di uscita, ad esempio includente uno stadio di polarizzazione (nel caso di implementazione analogica) o uno stadio convertitore analogico/digitale (nel caso di implementazione digitale).

Il segnale elettrico di uscita è analogico (ad esempio una tensione elettrica), o digitale (ad esempio un segnale PDM, Pulse Density Modulation, in modulazione a densità di impulsi), a seconda che il circuito ASIC 4 sia di tipo analogico o includa componenti digitali (ad esempio un’unità logica a microprocessore, un microcontrollore, un FPGA – Field Programmable Gate Array, un DSP – Digital Signal Processor).

Secondo un aspetto della presente soluzione, il circuito ASIC 4 comprende inoltre un modulo di riconoscimento 4b, in aggiunta al modulo di lettura 4a e cooperante con esso.

In particolare, il modulo di riconoscimento 4b è configurato in modo da valutare, in modo autonomo ed automatico, l’attività sonora associata alla grandezza elettrica trasdotta dalla struttura micromeccanica di rilevamento 2, e dunque associata allo stato o livello di attività sonora dell’ambiente esterno, per riconoscere l’occorrenza di almeno un evento sonoro prefissato, ad esempio la presenza di un suono avente un prefissato livello di intensità o del parlato dell’utente.

Il modulo di riconoscimento 4b fornisce in uscita un segnale dati Sd, che porta l’informazione relativa al riconoscimento dell’evento sonoro, ad esempio del parlato dell’utente.

Secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione, il modulo di riconoscimento 4b presenta un ingresso che riceve un segnale di controllo Sc, in base al quale è possibile configurare parametri del riconoscimento dell’attività sonora (ad esempio le caratteristiche dell’evento sonoro prefissato, quale il parlato dell’utente o il suono da riconoscere).

In una possibile forma di realizzazione, illustrata nella figura 1, il dispositivo trasduttore acustico 1 presenta un’unica linea di collegamento ed interfaccia con l’esterno, indicata con L1, su cui vengono forniti all’esterno, in maniera opportuna (come sarà descritto in dettaglio in seguito, relativamente ad una possibile implementazione), il segnale audio Saed il segnale dati Sd, e su cui viene inoltre ricevuto in ingresso il segnale di controllo Sc.

In una differente forma di realizzazione, illustrata in figura 2, il dispositivo trasduttore acustico 1 presenta una prima ed una seconda linea di collegamento con l’esterno, indicate con L1e L2, su cui vengono forniti all’esterno, in maniera opportuna (come sarà descritto in dettaglio in seguito, relativamente ad una possibile implementazione), il segnale audio Saed il segnale dati Sd, e viene inoltre ricevuto in ingresso il segnale di controllo Sc: ad esempio, sulla prima linea di collegamento L1viene fornito in uscita il segnale audio Sae sulla seconda linea di collegamento L2viene fornito in uscita il segnale dati Sd; oppure, sulla prima linea di collegamento L1vengono forniti in uscita congiuntamente sia il segnale audio Sache il segnale dati Sd, mentre tramite la seconda linea di collegamento L2viene ricevuto in ingresso il segnale di controllo Sc(che è in questo caso presente); oppure ancora, sulla prima linea di collegamento L1viene fornito in uscita il segnale audio Sa, mentre tramite la seconda linea di collegamento L2viene ricevuto in ingresso il segnale di controllo Sce viene fornito in uscita il segnale dati Sd.

In una ancora differente forma di realizzazione, illustrata in figura 3, il dispositivo trasduttore acustico 1 presenta una prima, una seconda ed una terza linea di collegamento con l’esterno, indicate con L1, L2e L3, su cui vengono rispettivamente, ed in maniera indipendente, forniti all’esterno il segnale audio Saed il segnale dati Sd, e ricevuto in ingresso il segnale di controllo Sc.

Indipendentemente dalla particolare forma di realizzazione tra quelle precedentemente elencate, il modulo di riconoscimento 4b esegue le operazioni che vengono ora descritte con riferimento alla figura 4.

In una prima fase, indicata con 10, il modulo di riconoscimento 4b riceve il segnale elettrico trasdotto (analogico o digitale), opportunamente pre-elaborato, dal modulo di lettura 4a.

Quindi, fase 12, il modulo di riconoscimento 4b esegue opportune operazioni di valutazione sul segnale elettrico trasdotto, ad esempio per valutare il livello, l’intensità, dello stesso segnale (e quindi del suono rilevato). L’intensità del segnale può ad esempio essere valutata in termini del valore RMS (Root Mean Square), del valore di picco, o di particolari statistiche, ad esempio relative al numero di attraversamenti dello zero (zero crossing). In alternativa, possono essere eseguiti algoritmi più complessi, di un qualunque tipo noto, ad esempio volti al riconoscimento del parlato dell’utente (quali algoritmi VAD).

A questo riguardo, è noto che un algoritmo VAD può prevedere le seguenti operazioni:

un’operazione di riduzione del rumore, ad esempio mediante sottrazione spettrale nel segnale elettrico trasdotto;

un’operazione di calcolo di caratteristiche o grandezze del segnale elettrico trasdotto, o di parte di esso; ed

uno stadio di classificazione, che applica opportune regole alle caratteristiche/grandezze calcolate, per determinare l’eventuale presenza di parlato.

In seguito, fase 14, il modulo di riconoscimento 4b verifica se l’intensità (o altre caratteristiche) del segnale elettrico trasdotto soddisfi una determinata relazione con uno o più valori prefissati (ad esempio risulti maggiore di una soglia) e/o se sia stato riconosciuto il parlato dell’utente.

In caso affermativo, fase 16, il modulo di riconoscimento 4b genera in maniera opportuna il segnale dati Sd, in modo da associare ad esso l’informazione dell’avvenuto riconoscimento della prefissata attività sonora (ad esempio del parlato dell’utente). Come sarà descritto in dettaglio in seguito, in questa fase 16, il modulo di riconoscimento 14b può in alternativa, o in aggiunta, nel caso di implementazione digitale, portare ad un valore prefissato (ad esempio alto) il segnale dati Sd, che può in questo caso rappresentare un segnale di interrupt, tale da segnalare immediatamente all’esterno, ad esempio all’unità di controllo a microprocessore dell’apparecchio elettronico ospite, l’avvenuto riconoscimento dell’evento sonoro.

Secondo un aspetto della presente soluzione, sempre nel caso in cui si verifichi che l’intensità del segnale elettrico trasdotto soddisfi la determinata relazione con il valore prefissato e/o venga riconosciuto il parlato dell’utente, il modulo di riconoscimento 4b è inoltre configurato per abilitare, fase 18, una completa alimentazione elettrica e/o una completa funzionalità del modulo di lettura 4a, in modo tale che lo stesso modulo di lettura 4a, oltre a continuare ad eseguire le operazioni di trasduzione della grandezze rilevata, generi in uscita il segnale audio Sa.

In caso contrario, fase 19, secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione, il modulo di riconoscimento 4b può disabilitare l’alimentazione di almeno una parte del modulo di lettura 4a o almeno parte delle funzionalità dello stesso modulo di lettura 4a, in modo tale che il dispositivo trasduttore acustico 1 entri in una condizione di risparmio energetico o di ridotto consumo energetico (cosiddetta modalità “low power”). Ad esempio, possono essere disabilitate le operazioni di ulteriore elaborazione del segnale elettrico trasdotto, per la generazione in uscita del segnale audio Sa, oppure disabilitato il rilevamento in una parte della banda sonora (non rilevante per le attività di riconoscimento sopra descritte).

In ogni caso, dalle suddette fasi 16, 18, 19, le operazioni tornano alla fase 10, per la ricezione del segnale elettrico trasdotto; si noti infatti che il modulo di riconoscimento 4b opera in maniera temporalmente continua, in modo da rilevare in maniera tempestiva la desiderata attività sonora.

La figura 5 mostra schematicamente un apparecchio elettronico 20, che incorpora il dispositivo trasduttore acustico 1 (qui non mostrato in dettaglio).

L’apparecchio elettronico 20 è ad esempio un apparecchio elettronico portatile, quale un tablet, uno smartphone, un telefono cellulare, un laptop, una foto- o video-camera, un dispositivo di video-sorveglianza (o simili), e comprende un modulo di controllo a processore 22, che ne gestisce il funzionamento generale.

L’apparecchio elettronico 20 comprende inoltre, in maniera di per sé nota, un display 23, elementi di immissione dati 24 (ad esempio una tastiera o un touch screen), un modulo di radiofrequenza 25, con relativa antenna ed un modulo di codifica audio 26 (cosiddetto “codec”).

Il modulo di controllo a processore 22 è accoppiato operativamente al dispositivo trasduttore acustico 1, in modo tale da ricevere il segnale audio Sa(per il tramite del modulo di codifica audio 26), ed in particolare il segnale dati Sd, indicativo dello stato dell’attività sonora rilevata.

Il segnale audio Sapuò essere utilizzato per impartire comandi vocali in un’interfaccia utente che viene gestita dallo stesso modulo di controllo a processore 22; vantaggiosamente, il segnale dati Sdpuò essere utilizzato per riattivare, o risvegliare (cosiddetto “wake up”), lo stesso modulo di controllo a processore 22 e/o la stessa interfaccia utente (fungendo ad esempio da sblocco del display 23, in sostituzione di un input manuale sulla tastiera o sul touch screen).

Nel caso in cui il segnale dati Sdsia un segnale di interrupt, tale risveglio o riattivazione risulta estremamente rapido e non richiede alcuna ulteriore operazione di elaborazione da parte del modulo di controllo a processore 22, riducendone pertanto il carico computazionale.

Il modulo di controllo a processore 22 può dunque operare in modalità di ridotto consumo energetico (o in modalità di attesa, “stand-by”), ed essere opportunamente attivato, o risvegliato, dal segnale dati Sdche viene direttamente fornito dal dispositivo trasduttore acustico 1 in seguito ad elaborazioni eseguite autonomamente ed in maniera indipendente.

Il dispositivo trasduttore acustico 1 è infatti, almeno in parte, attivo in maniera temporalmente continua al fine di valutare lo stato dell’attività sonora dell’ambiente circostante, operando in modalità cosiddetta “sniff-mode”.

Vantaggiosamente, come sottolineato in precedenza, lo stesso dispositivo trasduttore acustico 1 è in grado inoltre di riconfigurarsi, per quanto riguarda il consumo energetico, assumendo una modalità di risparmio energetico (con funzioni di rilevamento ridotte, ad esempio in termini della banda acustica rilevata o in termini della generazione del segnale audio Sain uscita) nel caso in cui l’attività sonora rilevata lo richieda (ad esempio in quanto l’intensità del segnale elettrico trasdotto è inferiore ad una data soglia, o non viene rilevato alcun parlato da parte dell’utente); al contrario, il dispositivo trasduttore acustico 1 assume una modalità operativa normale, a maggiore consumo energetico e con funzionalità complete di rilevamento (ad esempio, per quanto riguarda la banda acustica del segnale rilevato e la generazione del segnale audio Sa), quando l’attività sonora rilevata indichi la presenza di uno specifico parlato dell’utente o di specifici eventi audio di altra natura.

Come precedentemente indicato, in maniera altrettanto vantaggiosa, i parametri operativi del modulo di riconoscimento 4b del dispositivo trasduttore acustico 1 sono inoltre totalmente configurabili dall’esterno (ad esempio da parte del modulo di controllo a processore 22), in modo da riconfigurare, anche durante il funzionamento operativo dell’apparecchio elettronico 20, le caratteristiche dell’attività sonora da riconoscere.

La figura 6 mostra schematicamente un’ulteriore forma di realizzazione dell’apparecchio elettronico, nuovamente indicato con 20, che differisce da quanto descritto con riferimento alla figura 5, per il fatto di includere inoltre un modulo concentratore di dati 28, cosiddetto “sensor hub”, interposto tra il dispositivo trasduttore acustico 1 ed il modulo di controllo a processore 22 dell’apparecchio elettronico 20.

In maniera di per sé nota, il modulo concentratore di dati 28, tipicamente includente un microcontrollore (o una simile unità di elaborazione, ad esempio implementata mediante FPGA – Field Programmable Logic Array), si occupa di acquisire i segnali di rilevamento dal dispositivo trasduttore acustico 1, ed eventualmente da ulteriori sensori incorporati nell’apparecchio elettronico 20 (quali un accelerometro, un giroscopio, o un sensore di pressione, qui non illustrati), tipicamente accoppiati ad un unico bus di comunicazione digitale, e di fornirli al modulo di controllo a processore 22, eventualmente dopo averli sottoposti ad opportune elaborazioni.

In generale, la presenza del modulo concentratore di dati 28 solleva il modulo di controllo a microprocessore 22 dal compito di monitorare le uscite della pluralità di sensori, fornendo un’unica interfaccia di acquisizione, ed inoltre dall’onere computazionale legato ad almeno parte delle operazioni di elaborazione dei segnali.

Nel caso specifico, il modulo concentratore di dati 28 riceve dal dispositivo trasduttore acustico 1 il segnale audio Saed il segnale dati Sd, che fornisce quindi al modulo di controllo a processore 22 (in maniera diretta o per il tramite del modulo di codifica audio 26); inoltre, lo stesso modulo concentratore di dati 28 riceve il segnale di controllo Scdal modulo di controllo a processore 22 e lo fornisce al dispositivo trasduttore acustico 1.

Vengono ora descritte in maggiore dettaglio alcune possibili forme di realizzazione del dispositivo trasduttore acustico 1, in particolare per quanto riguarda il modulo di riconoscimento 4b e le relative linee di collegamento ed interfaccia verso l’esterno (L1ed eventualmente L2e L3).

In generale, si sottolinea il fatto che tali linee di collegamento verso l’esterno possono essere vantaggiosamente realizzate sfruttando le stesse piazzole (o pin) di collegamento verso l’esterno di cui sono forniti trasduttori acustici di tipo noto, in tal modo non richiedendo alcuna modifica per quanto riguarda lo schema dei collegamenti elettrici nei confronti dell’apparecchio elettronico ospite (cosiddetto “footprint”).

In particolare, la figura 7 mostra una possibile forma di realizzazione, di tipo analogico, in cui è prevista la sola prima linea di collegamento L1, associata in maniera congiunta ad entrambi i segnali audio e dati Sa, Sd.

In maniera di per sé nota, qui non descritta in dettaglio, il modulo di lettura 4a comprende uno stadio di trasduzione 30, ad esempio includente un preamplificatore, che riceve la grandezza elettrica (ad esempio, la variazione capacitiva) dalla struttura di rilevamento micromeccanica 2 e fornisce un segnale elettrico trasdotto St, e, nella forma di realizzazione illustrata, uno stadio di uscita 32, che riceve il segnale elettrico trasdotto Ste genera (ad esempio mediante opportuni componenti di potenza) il segnale audio Sache viene fornito su una piazzola di collegamento Pad1, accoppiata alla prima linea di collegamento L1.

Il modulo di riconoscimento 4b comprende uno stadio di analisi 34, che riceve il segnale elettrico trasdotto Sted esegue opportune stime e valutazioni di parametri e caratteristiche dello stesso segnale, al fine di valutare il livello dell’attività sonora rilevata (come descritto in precedenza) e fornire informazioni di analisi; ed uno stadio di decisione 36, accoppiato allo stadio di analisi 34, ed atto ad eseguire opportune azioni in funzione delle informazioni di analisi fornite dallo stadio di analisi 34 sulla base delle stime e delle valutazioni eseguite.

In particolare, lo stadio di decisione 36 comanda, in funzione delle informazioni di analisi, uno stadio modulatore 38, accoppiato operativamente allo stadio di uscita 32, in modo tale da fornire il segnale dati Sd, in questo caso congiuntamente al segnale audio Sasulla stessa prima linea di collegamento L1.

In particolare, secondo una possibile implementazione, lo stadio di decisione 36 comanda lo stadio modulatore 38 in modo che il segnale audio Sapresenti un offset pari a Vcc/2 (dove Vccè la tensione di alimentazione del dispositivo trasduttore acustico 1), come mostrato in figura 8a, nel caso in cui sia riconosciuta una prefissata attività sonora rilevata, ed in modo da fornire un segnale nullo nel caso in cui non sia riconosciuta la prefissata attività sonora, figura 8b.

In tal modo, risulta agevole per il modulo di controllo a processore 22 dell’apparecchio elettronico 20, ad esempio mediante filtraggio della componente in continua, ricostruire il segnale dati Sded ottenere l’informazione sullo stato di attività sonora.

In alternativa, come mostrato in figura 8c, il segnale audio Sapuò essere modulato dal segnale dati Sdin maniera più complessa, ad esempio in modo da trasmettere anche l’informazione relativa al valore efficace RMS dell’attività sonora riconosciuta, oltre all’informazione di presenza/assenza della stessa attività sonora; nel caso illustrato in figura 8c, il segnale dati Sdè un segnale ad onda quadra, con valore del duty cycle che è funzione dell’informazione che deve essere trasmessa.

Inoltre, lo stadio di decisione 36 è configurato per comandare il modulo di lettura 4a, per attivare uno stato di risparmio energetico, in assenza di attività sonora riconosciuta, ad esempio spegnendo lo stadio di uscita 32 ed in tal modo disabilitando la generazione del segnale audio Sain uscita.

La figura 9 mostra una differente forma di realizzazione del dispositivo trasduttore acustico 1, anche in questo caso di tipo analogico.

Tale forma di realizzazione differisce dalla forma di realizzazione descritta con riferimento alla figura 7 per il fatto di fornire il segnale audio Sa, e congiuntamente il segnale dati Sd, su un’uscita differenziale, ovvero tra la piazzola di collegamento Pad1ed una ulteriore piazzola di collegamento Pad2, entrambe accoppiate alla stessa prima linea di collegamento L1.

In questo caso, lo stadio di decisione 36 comanda lo stadio modulatore 38 in modo da fornire sulla prima linea di collegamento L1un segnale differenziale in presenza di attività sonora, ed un segnale saturato a Vcco –Vccin assenza di attività sonora, come mostrato in figura 10a.

In alternativa, come mostrato in figura 10b, lo stadio di decisione 36 può comandare lo stadio modulatore 38 in modo da fornire ulteriori informazioni tramite il segnale modulato di uscita, ad esempio il valore efficace RMS dell’attività sonora rilevata, in ogni caso rispettando la dinamica di tensione massima consentita (in questo caso compresa tra –Vcce Vcc, indicata con D ed evidenziata dalla freccia) senza tagliare il segnale audio Sa(cosiddetto “clipping”).

Anche in questa forma di realizzazione, il segnale dati Sdviene fornito congiuntamente al segnale audio Sasulla stessa linea di collegamento L1.

La figura 11 mostra una ulteriore forma di realizzazione, di tipo analogico, in cui è nuovamente prevista la prima linea di collegamento L1per la trasmissione congiunta di entrambi i segnali audio e dati Sa, Sd, come descritto con riferimento alla figura 7, ed è inoltre prevista una seconda linea di collegamento L2per il segnale di controllo Sc, che viene ricevuto dal dispositivo trasduttore acustico 1 per la regolazione dei parametri e delle caratteristiche dell’attività sonora da riconoscere da parte dello stadio di analisi 34.

In questo caso, il dispositivo trasduttore acustico 1 presenta una piazzola di collegamento Pad3, atta a ricevere il segnale di controllo Sc, ed inoltre uno stadio di interfaccia 40, accoppiato in ingresso alla piazzola di collegamento Pad3ed in uscita al modulo di riconoscimento 4b.

In una prima variante, il segnale di controllo Scè un segnale di tensione, avente valore variabile in funzione della regolazione desiderata dei parametri di riconoscimento, e lo stadio di interfaccia 40 è uno stadio di lettura di tensione di riferimento, atto a ricevere il segnale di controllo Sce a leggerne il valore di tensione. La tensione di riferimento può ad esempio essere utilizzata per regolare il valore di una tensione di soglia da utilizzare per il riconoscimento dell’attività sonora.

Una ulteriore variante, mostrata in figura 12, prevede che il dispositivo trasduttore acustico 1 sia dotato di uno stadio di interfaccia 40, di tipo seriale, ad esempio di tipo I<2>C. In questo caso, il segnale di controllo Scè un segnale dati seriale e la piazzola di collegamento Pad3coincide con l’ingresso dati SDA del protocollo I<2>C; è inoltre prevista una ulteriore piazzola di collegamento Pad4, associata ad una terza linea di collegamento L3, qui coincidente con la linea di orologio, clock SCL dello stesso protocollo I<2>C.

Questa variante si applica dunque nel caso di trasduttori acustici MEMS 1 di tipo ibrido, ovvero di tipo analogico, ma dotati di interfaccia di comunicazione seriale. È comunque evidente che una qualsiasi interfaccia di comunicazione seriale differente dal protocollo I<2>C potrebbe allo stesso modo essere utilizzata, ad esempio un protocollo SPI, UART o simili.

Come illustrato in figura 13, analoghe considerazioni possono essere effettuate per quanto riguarda la forma di realizzazione discussa con riferimento alla figura 9, con uscita differenziale per il segnale audio Sa(la figura 13 mostra in particolare la variante relativa al dispositivo trasduttore acustico 1 di tipo ibrido).

La figura 14 illustra ancora una differente forma di realizzazione, che prevede l’utilizzo di due linee di collegamento distinte per la trasmissione dei segnali audio e dati Sa, Sd.

In questo caso, il segnale dati Sdè un segnale di interrupt, ovvero un segnale digitale avente due possibili valori, alto e basso, che viene generato da uno stadio di interrupt 42, comandato dallo stadio di decisione 36, nuovamente sulla base delle informazioni di riconoscimento. In particolare, il segnale di interrupt può assumere un valore alto, al riconoscimento di un’attività sonora desiderata, ed un valore basso in caso contrario. Lo stadio di interrupt 42 può ad esempio includere un driver FET.

Il segnale audio Saè nuovamente fornito in uscita sulla prima linea di collegamento L1, in corrispondenza della piazzola di collegamento Pad1.

Vantaggiosamente, il segnale dati Sd(in questo caso, costituito dal segnale di interrupt) è fornito in uscita sulla seconda linea di collegamento L2, in corrispondenza della piazzola di collegamento Pad2, essendo direttamente disponibile per il circuito di controllo a processore 22 dell’apparecchio elettronico 20 che ospita il dispositivo trasduttore acustico 1.

Considerazioni del tutto analoghe possono essere applicate alla forma di realizzazione con uscita audio differenziale, discussa con riferimento alla figura 9.

A questo riguardo, ad esempio, la figura 15 illustra una ulteriore forma di realizzazione in cui è inoltre presente il segnale di controllo Scricevuto sulla terza linea di collegamento L3.

Con riferimento alla figura 16, viene ora discussa una forma di realizzazione relativa ad un dispositivo trasduttore acustico 1, di tipo digitale.

In modo di per sé noto, lo stadio di trasduzione 30 comprende in questo caso, come stadio di uscita 32, un convertitore analogico/digitale, in particolare un modulatore sigma delta, che riceve il segnale elettrico trasdotto Ste genera il segnale audio Sa, in questo caso di tipo digitale, che viene fornito sulla prima linea di collegamento L1, in corrispondenza della piazzola di collegamento Pad1.

Lo stadio di interfaccia seriale, nuovamente indicato con 40, del dispositivo trasduttore acustico 1, nell’esempio di tipo I<2>C, viene qui impiegato sia per fornire il segnale dati Sdsia per ricevere il segnale di controllo Sc.

In particolare, lo stadio di decisione 36 genera il segnale di interrupt, come segnale dati Sd, sulla seconda linea di collegamento L2coincidente con la linea dati associata all’interfaccia seriale I<2>C.

Sulla stessa linea dati, il modulo di riconoscimento 4b del dispositivo trasduttore acustico 1 può ricevere il segnale di controllo Sc, di tipo digitale, contenente le informazioni di controllo e di configurazione per lo stadio di analisi 30.

A questo riguardo, si nota che il segnale di controllo Sced il segnale dati Sdpossono essere presenti sulla seconda linea di collegamento L2in tempi separati e distinti; ad esempio, il segnale di controllo Scpuò essere ricevuto in un primo intervallo temporale, durante il quale viene effettuata ad esempio la configurazione del modulo di riconoscimento 4b, e successivamente, in un secondo intervallo temporale successivo al primo intervallo temporale, può essere fornito il segnale dati Sd, risultato delle operazioni di elaborazione eseguite dallo stesso modulo di riconoscimento 4b.

Tramite la linea di orologio, clock, SCL del protocollo seriale I<2>C può in questo caso essere ricevuto uno stesso segnale di clock per l’utilizzo da parte dello stadio di interfaccia 40 e del modulo di lettura 4a del dispositivo trasduttore acustico 1, qualora la frequenza operativa lo consenta (ad esempio nel caso in cui la frequenza sia minore di 10 kHz).

Anche in questo caso, la trasmissione in uscita del segnale dati Sde la eventuale ricezione in ingresso del segnale di controllo Scsono implementate utilizzando i pin presenti nei tradizionali trasduttori acustici MEMS di tipo digitale, non richiedendo dunque modifiche nella disposizione dei collegamenti elettrici verso l’esterno, in particolare verso il circuito di controllo a processore 22 dell’apparecchio elettronico 20 che ospita il dispositivo trasduttore acustico 1.

In base alle informazioni di riconoscimento risultanti dall’analisi del segnale trasdotto Stda parte dello stadio di analisi 34, lo stadio di decisione 36 può anche in questo caso modificare lo stato operativo del modulo di lettura 4a, ad esempio per attivare uno stato a risparmio energetico in assenza di attività sonora significativa, ad esempio disabilitando lo stadio di uscita 32.

La figura 17a mostra un possibile andamento del segnale audio Sagenerato dal dispositivo trasduttore acustico 1, in cui si nota l’assenza di segnale in caso di assenza di attività sonora (dovuto allo spegnimento dello stadio di uscita 32); mentre la figura 17b mostra il segnale dati Sd, in questo caso un segnale di interrupt, che assume valore alto al riconoscimento di una significativa attività sonora da parte del modulo di riconoscimento 4a del dispositivo trasduttore acustico 1.

Anche se non vengono qui descritte, è evidente che, anche nel caso del dispositivo trasduttore acustico 1 di tipo digitale, possono essere previste le varianti discusse in precedenza, per quanto riguarda la trasmissione o ricezione dei segnali audio, dati e di controllo Sa, Sd, Scsu una o più linee di collegamento, in maniera congiunta o distinta.

I vantaggi della soluzione descritta emergono in maniera evidente dalla discussione precedente.

In particolare, si sottolinea nuovamente che tale soluzione prevede svariate caratteristiche vantaggiose, tra cui si possono ad esempio citare le seguenti:

- il rilevamento autonomo, da parte del dispositivo trasduttore acustico 1, dello stato, o livello, dell’attività sonora, ad esempio per il riconoscimento vocale o del parlato in abbinamento ad una interfaccia utente di un apparecchio elettronico;

- la possibilità di riconfigurare i parametri con cui lo stesso dispositivo trasduttore acustico 1 esegue il suddetto riconoscimento, ad esempio per regolare i parametri di algoritmi di riconoscimento vocale (quali algoritmi VAD);

- la possibilità, da parte dello stesso dispositivo trasduttore acustico 1 di riconfigurarsi automaticamente ed autonomamente (senza interventi esterni) in termini del suo consumo energetico, in funzione del livello di attività sonora rilevata, ad esempio per attivare una modalità di risparmio energetico, o a ridotte prestazioni, in assenza di un livello significativo di attività sonora;

- la possibilità, da parte del dispositivo trasduttore acustico 1, di fornire direttamente in uscita ad un apparecchio elettronico 20 l’informazione dello stato dell’attività sonora rilevata, ad esempio sotto forma di un segnale di interrupt, in tal modo sollevando ad esempio il circuito di controllo a processore 22 dell’apparecchio elettronico 20 dai compiti di riconoscimento della stessa attività sonora (tale circuito di controllo infatti può gestire ed elaborare il segnale audio Sarilevato dal dispositivo trasduttore acustico 1 soltanto in presenza di un’attività sonora già giudicata significativa dallo stesso dispositivo trasduttore acustico 1), e consentendo allo stesso circuito di controllo a processore 22 di rimanere inattivo fino a quando non viene rilevata la prefissata attività sonora;

- il possibile utilizzo, per le funzioni di riconoscimento e di comunicazione con l’esterno, degli stessi collegamenti elettrici e pin utilizzati dai trasduttori acustici tradizionali, senza pertanto richiedere modifiche significative a circuiti ed apparecchi elettronici esistenti (ad esempio in termini di numero di pin e “footprint”), assicurando dunque una completa compatibilità con tali apparecchi elettronici e con preesistenti standard realizzativi.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, è evidente che le forme di realizzazione precedentemente descritte sono soltanto esemplificative e non esaustive, ad esempio per quanto riguarda le possibili implementazioni delle linee di collegamento per l’invio, separato o congiunto, del segnale audio Sa, del segnale dati Sde la ricezione dell’eventuale segnale di controllo Sc.

Inoltre, è evidente che l’implementazione dei vari moduli e stadi discussi in precedenza nel dispositivo trasduttore acustico 1 può essere alternativamente di tipo hardware o software, a seconda delle specifiche esigenze e caratteristiche generali dello stesso dispositivo trasduttore acustico 1.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo trasduttore acustico MEMS (1) comprendente una struttura di rilevamento micromeccanica (2) atta a rilevare onde di pressione acustica e a fornire una grandezza elettrica trasdotta, ed un circuito integrato (4) accoppiato operativamente alla struttura di rilevamento micromeccanica (2) ed includente un modulo di lettura (4a) atto a generare in uscita un segnale audio (Sa) in funzione della grandezza elettrica trasdotta, caratterizzato dal fatto che il circuito integrato (4) include inoltre un modulo di riconoscimento (4b), configurato in modo da riconoscere un evento di attività sonora associato alla grandezza elettrica trasdotta.
2. 2. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 1, in cui l’evento di attività sonora include un evento di parlato e/o un evento sonoro avente caratteristiche prefissate.
3. 3. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 1 o 2, avente un’uscita (Pad1; Pad2) configurata in modo da fornire all’esterno un segnale dati (Sd) che porta un’informazione relativa al riconoscimento dell’evento di attività sonora.
4. 4. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 3, in cui il segnale dati (Sd) è un segnale logico di interrupt.
5. 5. Dispositivo trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il modulo di lettura (4a) comprende uno stadio di trasduzione (30) configurato in modo da generare un segnale trasdotto (St) in funzione della grandezza elettrica; ed in cui il modulo di riconoscimento (4b) comprende uno stadio di analisi (34) configurato in modo da elaborare il segnale trasdotto (St) per riconoscere l’evento di attività sonora.
6. 6. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 5, in cui il modulo di lettura (4a) comprende inoltre uno stadio di uscita (32) configurato in modo da generare il segnale audio (Sa); ed in cui il modulo di riconoscimento (4b) comprende inoltre uno stadio di decisione (36) configurato in modo da causare la generazione del segnale dati (Sd) in funzione dell’elaborazione svolta dallo stadio di analisi (34).
7. 7. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 6, in cui lo stadio di decisione (36) è inoltre configurato in modo da attivare una modalità di risparmio energetico di detto trasduttore acustico MEMS (1), in assenza di detto evento di attività sonora.
8. 8. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 7, in cui detto stadio di decisione (36) è configurato in modo da disabilitare detto stadio di uscita (32) di detto modulo di lettura (4a) in detta modalità di risparmio energetico.
9. 9. Dispositivo trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-8, in cui detto stadio di decisione (36) è configurato in modo da causare la generazione del segnale dati (Sd) su una stessa uscita (Pad1; Pad2) su cui è atto ad essere fornito il segnale audio (Sa), in maniera congiunta a detto segnale audio (Sa).
10. 10. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 9, in cui detto stadio di decisione (36) è configurato in modo da causare la modulazione del segnale audio (Sa) da parte del segnale dati (Sd) su detta uscita (Pad1; Pad2).
11. 11. Dispositivo trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-9, in cui detto stadio di decisione (36) è configurato in modo da causare la generazione del segnale dati (Sd) su una ulteriore uscita (Pad2) di detto trasduttore acustico MEMS (1), differente dall’uscita (Pad1) su cui è atto ad essere fornito detto segnale audio (Sa).
12. 12. Dispositivo trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5-11, in cui detto modulo di riconoscimento (4b) è configurato in modo da ricevere un segnale di controllo (Sc) in ingresso a detto trasduttore acustico MEMS (1), per impostare caratteristiche di riconoscimento dell’evento di attività sonora da parte di detto stadio di analisi (34).
13. 13. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 12, in cui detto segnale di controllo (Sc) è un segnale di tensione di riferimento; comprendente inoltre uno stadio di interfaccia (40), atto a ricevere il segnale di controllo Sce a leggerne il valore di tensione di riferimento.
14. 14. Dispositivo trasduttore secondo la rivendicazione 12, comprendente inoltre uno stadio di interfaccia (40), di tipo seriale, configurato in modo da ricevere detto segnale di controllo (Sc).
15. 15. Apparecchio elettronico (20) comprendente il dispositivo trasduttore acustico MEMS (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
16. 16. Apparecchio elettronico secondo la rivendicazione 15, comprendente un circuito di controllo a processore (22) configurato in modo da ricevere detto segnale dati (Sd) e comandare un risveglio da una modalità di attesa o risparmio energetico in funzione di detto segnale dati (Sd).
17. 17. Apparecchio elettronico secondo la rivendicazione 16, in cui detto circuito di controllo a processore (22) presenta un ingresso di interrupt, atto a ricevere detto segnale dati (Sd).
18. 18. Apparecchio elettronico secondo la rivendicazione 16 o 17, comprendente un’unità concentratore di dati (28), interposta tra detto trasduttore acustico MEMS (1) e detto circuito di controllo a processore (22).
19. 19. Apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15-18, scelto nel gruppo comprendente: un tablet, uno smartphone, un telefono cellulare, un laptop, una foto- o video-camera, un dispositivo di video-sorveglianza.