Axes cristallographiques et types de coupe de quartz

Cette explication décrit les axes cristallographiques d'un cristal de quartz synthétique et les différents types de coupe (coupe AT, BT et SC), tels qu'ils sont utilisés dans la fabrication des quartz vibrants.

1. structure cristalline du quartz

Le quartz (SiO₂) cristallise dans le système cristallin trigonal. La structure est constituée d'un réseau de tétraèdres SiO₄ disposés en spirale le long de l'axe Z (également appelé axe c).

2. axes cristallographiques

Un cristal de quartz synthétique possède les axes principaux suivants :
- axes a₁, a₂, a₃ (axes x) : Dans un plan, à 120° l'un de l'autre.
- Axe Z (axe c) : Correspond à l'axe optique.
- Axe Y : Axe électrique, perpendiculaire à l'axe Z.

3. coupe AT

La coupe AT est une coupe inclinée (environ 35,25°) par rapport à l'axe Z dans le plan X-Z. Elle est utilisée pour fabriquer des quartz oscillants stables en température. L'oscillation se fait alors dans le plan de la plaque (mode planaire).

4. autres types de coupe de quartz

Une comparaison des principaux types de coupe :

5. conclusion

Le choix de la coupe a une influence déterminante sur les propriétés d'un résonateur à quartz. Alors que la coupe AT est largement utilisée, la coupe BT et surtout la coupe SC offrent des avantages spécialisés en termes de compensation de température et de stabilité mécanique.

AT-Cut

L'AT-Cut est la coupe cristalline la plus répandue parmi les quartz oscillants et est utilisée pour la fabrication de tous nos quartz oscillants LRT (LOW ESR Resonator Technology). Les quartz à coupe AT se distinguent par une bonne stabilité thermique, une faible dérive en fréquence et un large spectre d'utilisation. Les quartz de coupe AT se laissent très bien miniaturiser et conviennent idéalement aux quartz oscillants dans la plage de 3,2 à 285 MHz.

La tolérance de fréquence à +25°C est de ±10 ppm à +25°C pour nos quartz oscillants AT-Cut. Le vieillissement est de l'ordre de ±10 ppm après 10 ans. Sur la plage de température de -20/+70°C, la stabilité thermique la plus étroite possible est de ±10 ppm, sur -40/+85°C ±15 ppm, sur -40/+105°C = ±30 ppm, ou ±50 ppm sur la plage de température de -40/+125°C.

Le quartz oscillant AT répond ainsi à toutes les exigences, même pour les applications radio très précises (bande ISM, WiFi, etc.).

BT-Cut

Le BT-Cut est un ancien angle de coupe et était encore utilisé autrefois, lorsque l'angle de coupe AT n'était pas encore aussi développé. Les quartz oscillants BT-Cut présentaient une plus grande stabilité thermique que les quartz de coupe AT, mais pouvaient être fabriqués à moindre coût dans les fréquences les plus diverses que les quartz de coupe AT. Les quartz BT-Cut ne sont plus fabriqués de nos jours - ils ont été complètement remplacés par les quartz AT-Cut.

SC-Cut

L'angle de coupe SC-Cut (Stress Compensated Cut) est une coupe de quartz à double rotation qui offre une excellente stabilité thermique, un très faible vieillissement et une stabilité à long terme extrêmement élevée. Il est notamment utilisé dans les oscillateurs de précision tels que les OCXO, pour lesquels les plus petits écarts de fréquence sont critiques (par exemple dans les télécommunications, la 5G, les références GPS, la métrologie, etc.)

Les OCXO sont des oscillateurs à cristal contrôlés par four, dans lesquels un "four" interne est utilisé pour maintenir le quartz de coupe SC constamment à une température idéale. Cette température idéale se situe entre 80 et 85°C, là où le quartz de coupe SC a également son passage à zéro. Une autre particularité des quartz oscillants SC-Cut dans les OCXO sont les modes d'oscillation. Par exemple, dans les OCXO, les fréquences de quartz SC de 5 ou 10 MHz ne sont pas réalisées dans le fondamental, mais dans le 5e harmonique. Pourquoi ? Il s'agit du C1 ou encore de la capacité dynamique. Un quartz du 5e harmonique a un C1 beaucoup plus petit que celui d'un quartz du fondamental, ce qui fait que le quartz SC-Cut de l'OCXO oscille encore une fois avec beaucoup plus de précision.