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 :
Caractéristique | coupe AT | coupe BT | coupe SC |
Angle de coupe | ~35,25° vers Z | ~49° vers Z | ~34° vers Z, 22,5° vers Y |
Comportement thermique | Très bon | Moyen | Excellent |
Stabilité en fréquence | Bonne | Moyenne | Très élevée |
Stabilité mécanique | Elevée | Légèrement inférieure | Très élevée |
Application | Quartz oscillant standard | Horlogerie, bon marché | Espace, appareils de précision |
6. utilisation - quelle coupe de quartz est utilisée et où ?
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.
FAQs
Que sont les axes cristallographiques du quartz et pourquoi sont-ils importants pour les quartz oscillants ?
Le quartz cristallise dans le système cristallin trigonal et possède des axes cristallographiques définis qui sont déterminants pour ses propriétés électriques et mécaniques. Parmi les axes principaux, on trouve les axes a₁, a₂ et a₃ dans un plan espacé de 120°, l'axe Z comme axe optique ainsi que l'axe Y comme axe électrique perpendiculaire à l'axe Z. Ces axes servent de système de référence pour l'orientation de la coupe de quartz lors de la fabrication de quartz oscillants. Même de petites modifications de l'angle de coupe influencent le comportement thermique, le type d'oscillation et la stabilité à long terme du résonateur. C'est pourquoi les axes cristallographiques sont à la base du choix des types de coupe de quartz appropriés, comme la coupe AT, BT ou SC.
Quelle est la différence entre les coupes AT, BT et SC pour les résonateurs à quartz ?
La coupe AT est une coupe inclinée par rapport à l'axe Z dans le plan X-Z et est surtout utilisée pour les quartz oscillants standard stables en température. C'est aujourd'hui la coupe cristalline la plus répandue et elle offre une bonne combinaison de stabilité thermique, de faible dérive de fréquence et de large spectre d'utilisation. La coupe BT est un angle de coupe plus ancien qui était utilisé autrefois, mais qui est aujourd'hui pratiquement entièrement remplacé par la coupe AT. La coupe SC est une coupe en quartz à double rotation, compensée en termes de stress, avec une stabilité thermique particulièrement élevée, un faible vieillissement et une excellente stabilité à long terme. Cela rend la coupe SC particulièrement adaptée aux applications de haute précision telles que les OCXO, les télécommunications, la 5G, les références GPS et la métrologie.
Pourquoi l'AT-Cut est-il le standard des quartz oscillants modernes ?
L'AT-Cut s'est établi comme standard parce qu'il combine une très bonne stabilité thermique avec une grande maturité de fabrication et une large possibilité d'utilisation. Il est utilisé chez PETERMANN-TECHNIK pour tous les quartz oscillants LRT et convient parfaitement aux plages de fréquences de 3,2 à 285 MHz. Les quartz de coupe AT peuvent être très facilement miniaturisés et sont donc également intéressants pour les modules électroniques compacts. La tolérance de fréquence est de ±10 ppm à +25°C et le vieillissement est également très faible avec ±10 ppm après 10 ans. De plus, le quartz oscillant AT répond même aux exigences les plus pointues dans les applications radio précises comme la bande ISM ou le WiFi.
Quelle est la stabilité thermique des quartz vibrants AT-Cut dans différentes plages de température ?
Les quartz oscillants AT-Cut offrent différentes valeurs de stabilité en fonction de la plage de température spécifiée et conviennent ainsi à de nombreuses applications industrielles. Dans la plage de -20 à +70°C, il est possible d'atteindre une stabilité thermique la plus étroite possible de ±10 ppm. Pour la plage étendue de -40 à +85°C, la stabilité est de ±15 ppm. En cas d'exigences encore plus élevées concernant la plage d'utilisation, il est possible d'atteindre ±30 ppm entre -40 et +105°C ainsi que ±50 ppm entre -40 et +125°C. Ces valeurs montrent que la coupe AT constitue une solution très équilibrée pour les applications exigeant une précision de fréquence et un comportement en température élevés.
Pourquoi le SC-Cut est-il utilisé dans les OCXO et les oscillateurs de précision ?
La coupe SC est utilisée dans les oscillateurs de précision parce qu'elle offre une excellente stabilité thermique, un très faible vieillissement et une stabilité à long terme extrêmement élevée. Dans les OCXO, le quartz est maintenu constamment à une température idéale d'environ 80 à 85°C par un four interne, où la coupe SC a son passage à 0. Cela permet de minimiser de manière particulièrement efficace les plus petits écarts de fréquence. À cela s'ajoute le fait que les quartz SC-Cut dans les OCXO à 5 ou 10 MHz ne fonctionnent souvent pas dans le ton fondamental, mais dans le 5e harmonique. Le C1 dynamique plus petit en mode harmonique contribue à ce que le quartz oscille encore plus précisément.
Pourquoi choisir PETERMANN-TECHNIK Types de coupe en quartz et axes cristallographiques ?
PETERMANN-TECHNIK est le bon choix lorsqu'il s'agit de disposer d'un savoir-faire approfondi sur les modes de coupe du quartz et leur influence sur la performance des quartz vibrants. L'entreprise allie une compréhension technique des axes cristallographiques, des angles de coupe et des modes de vibration à des conseils pratiques pour les applications industrielles. En particulier pour l'AT-Cut, très répandu, PETERMANN-TECHNIK dispose de spécifications claires sur la gamme de fréquences, la stabilité thermique, la tolérance et le vieillissement. Même pour les sujets exigeants comme les quartz SC-Cut pour les OCXO et les applications de précision, des connaissances d'experts adaptées à l'application sont disponibles. Les clients bénéficient ainsi d'une sécurité technique, de conseils adaptés à leur secteur d'activité et de solutions parfaitement adaptées à la stabilité de fréquence et à l'environnement d'utilisation.
