Pour les quartz vibrants MHz, on utilise ce que l'on appelle l'"oscillation fondamentale" (fundamental oscillation) ou une harmonique (généralement la troisième ou la cinquième harmonique). Le mode d'oscillation mécanique du cristal de quartz, basé sur l'effet piézoélectrique du quartz, est déterminant à cet égard. Dans la plage des MHz, on utilise typiquement l'oscillation fondamentale (disponible chez PETERMANN-TECHNIK GmbH jusqu'à 285 MHz) en mode de poussée planaire (en anglais : Thickness-Shear Mode).
Forme d'oscillation dans la gamme des MHz : oscillation en cisaillement d'épaisseur (mode de poussée planaire)
Que se passe-t-il ?
Le cristal de quartz est taillé et découpé (généralement par coupe AT) de manière à ce qu'il oscille dans un certain mode de cisaillement lorsqu'on lui applique une tension alternative dans la gamme des MHz. Le quartz ne se déplace alors pas dans le sens de la longueur ou transversalement à la surface, mais l'oscillation se déroule dans le plan du cristal, comme un "cisaillement" latéral.
Le mouvement qui en résulte rappelle celui de deux plaques posées l'une sur l'autre et déplacées l'une par rapport à l'autre - c'est le mouvement de "cisaillement".
Fonctionnement en détail
- Coupe AT:
- Le cristal de quartz est coupé selon un angle spécifique par rapport à l'axe du cristal (environ 35°15' par rapport à l'axe Z).
- Cette coupe spéciale produit la forme d'oscillation souhaitée (mode Shear) et assure la stabilité de la température dans la plage des MHz.
- Application d'une tension alternative:
- Des électrodes placées des deux côtés du quartz génèrent un champ électrique à travers le cristal.
- En raison de l'effet piézoélectrique, le cristal se déforme mécaniquement (il commence à osciller) dès qu'une tension est appliquée.
- L'oscillation mécanique génère à son tour une tension électrique - un effet d'auto-amplification à la fréquence de résonance.
- Résonance dans la gamme des MHz:
- L'épaisseur du quartz détermine la fréquence de résonance (à 10 MHz par exemple, l'épaisseur est d'environ 0,33 mm).
- La fréquence fondamentale est alors la fréquence propre la plus basse possible à laquelle le quartz résonne en mode shear.
Pourquoi cette forme de vibration en particulier ?
Raison | Explication |
Bonne stabilité de la fréquence | La coupe AT a une réponse plate en fréquence de température à température ambiante jusqu'à environ 70 °C. |
Transfert d'énergie efficace | Le mode Shear se couple bien avec le champ électrique et perd peu d'énergie. |
Faible atténuation dans la plage des MHz | L'oscillation est mécaniquement stable et a un facteur de qualité élevé (facteur Q). |
Faible taille possible | Grâce à la relation épaisseur-fréquence, il est possible de réaliser des fréquences élevées avec un quartz fin. |
Certains quartz dans la plage supérieure des MHz (p. ex. 30 MHz, 50 MHz) utilisent la 3e ou la 5e harmonique du même mode d'oscillation. Ils oscillent donc à un multiple de la fréquence fondamentale.
Pourquoi ?
- La fabrication de quartz très fins pour des fréquences fondamentales élevées devient mécaniquement difficile.
- Au lieu de cela, on utilise des quartz plus épais sur une harmonique plus élevée - plus facile à fabriquer, mais nécessitant des circuits spéciaux.
Conclusion
Dans la gamme des MHz, on utilise l'oscillation fondamentale en mode de cisaillement de l'épaisseur parce qu'elle :
une grande stabilité de fréquence,
une bonne qualité (faibles pertes),
une insensibilité à la température,
et offre un couplage électrique efficace.
Ces caractéristiques la rendent idéale pour les horloges de précision utilisées aujourd'hui par toutes les applications dans le domaine de l'électronique.
Une remarque à ce sujet : grâce à la conception de nos résonateurs de base, nous pouvons fournir des fréquences de base allant jusqu'à 285 MHz - voir à ce sujet : https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-konfigurator.html.
