cristal de quartz

Un cristal de quartz est une fine tranche de dioxyde de silicium taillée selon des plans cristallographiques précis et montée entre deux électrodes. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, le cristal vibre physiquement à une fréquence spécifique déterminée par son épaisseur et son orientation de coupe. Cette vibration mécanique génère un signal électrique à cette même fréquence, faisant des cristaux de quartz la référence de fréquence de travail dans presque tous les appareils électroniques qui doivent maintenir l'heure ou la pureté spectrale.

Le cristal est généralement taillé selon des angles tels que AT (environ 35 degrés 15 minutes par rapport à l'axe z) ou SC (compensé en contrainte) pour atteindre une stabilité en température sur une plage pratique. La plupart des cristaux de qualité grand public fonctionnent entre 0 et 70 degrés Celsius avec une dérive de fréquence d'environ 20 à 100 parties par million sur cette plage. Les applications industrielles et aérospatiales utilisent des oscillateurs compensés en température (TCXO) ou des fours pour réduire cette dérive à un seul chiffre en ppm. Les plages de fréquences s'étendent de 32,768 kHz pour les modules d'horloge en temps réel jusqu'à 100 MHz ou plus pour les circuits RF et numériques, bien que les fréquences plus élevées soient généralement obtenues en multipliant une fréquence fondamentale plus basse.

Le cristal de quartz est toujours monté à l'intérieur d'un boîtier scellé, généralement une boîte métallique avec deux ou quatre broches, et nécessite un circuit oscillateur de support (amplificateur, condensateurs, résistances) pour maintenir l'oscillation. Le cristal lui-même est passif; il n'oscillera pas seul sans ce circuit pour l'alimenter. Les valeurs typiques de capacité de charge sont de 15, 20 ou 30 picofarads, et si le circuit oscillateur ne présente pas la charge correcte, le cristal dérivera en fréquence ou refusera de démarrer.

Les modes de défaillance courants incluent la dérive de fréquence due aux variations de température, le vieillissement (les cristaux de quartz perdent lentement leur stabilité de fréquence au fil des ans en raison de la redistribution de charge dans le matériau), et les dommages mécaniques dus aux chocs ou aux vibrations. La contamination à l'intérieur du boîtier scellé, l'humidité, les particules conductrices ou le dégazage des matériaux internes peuvent provoquer un comportement erratique ou l'arrêt complet de l'oscillation. Les pics de tension d'alimentation ou les transitoires peuvent également fracturer l'élément cristallin délicat.

Le nom «cristal de quartz» est littéral: il s'agit de quartz piézoélectrique (SiO2 cristallin), exploitant l'effet piézoélectrique inverse où la contrainte mécanique produit une charge électrique. Le terme le distingue des autres éléments oscillateurs comme les résonateurs céramiques (moins chers, moins stables, mais plus petits) ou les circuits LC (moins stables, plage de réglage plus large). Dans les schémas, les cristaux de quartz sont marqués du symbole Y1, Y2, etc., et spécifiés par la fréquence, la capacité de charge et la tolérance (par exemple, 16 MHz, charge de 20 pF, ±30 ppm).