Les cristaux de quartz

par **14RC126** Sam 6 Jan - 8:59

Les cristaux de quartz sont largement utilisés dans les équipements radioamateurs. Il vous suffit d’examiner le schéma d’un transceiver, par exemple.
Ces composants sont formés par une mince lame de quartz disposée entre deux électrodes. Comme vous le savez, le quartz, aussi appelé cristal de roche, est un minéral composé de silicium et d’oxygène (oxyde anhydrique de silicium, bioxyde de silicium ou silice tout simplement la silice, Si O2) dont les cristaux forment un prisme hexagonal terminé par deux pyramides hexagonales.
Le quartz est le minéral le plus répandu sur la croûte terrestre, soit sous forme cristalline soit allié à d’autres minéraux sous forme de roches telles que le granit (dont le quartz, le feldspath et le mica).
La photo de la figure 1, vous montre l’aspect du quartz sous forme cristalline tel qu’on le trouve dans la nature. Dans cet article nous nommerons tout simplement quartz, ces composants utilisés en électronique et nous vous décrirons brièvement leurs principales caractéristiques à connaître ainsi qu’un montage simple pour les tester. La photo de la figure 2 nous montre divers types de quartz utilisés en télécommunications.

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Les deux modèles en haut à gauche, sont contenus dans une ampoule de verre comme les tubes électroniques. Les deux modèles en haut à droite, sont des boîtiers démontables en résine (utilisés dans les années 40/50) que l’on ne trouve plus que dans les surplus. Les modèles de la rangée inférieure sont (pour la plupart) contenus dans un boîtier métallique de faible encombrement et actuellement utilisés.
Les deux modèles à gauche sont utilisés sur les ordinateurs par exemple, et peuvent contenir des circuits électroniques intégrés : celui du bas à gauche est un oscillateur complet alimenté sous 5V et délivrant un signal de 20 MHz. Les quartz font appel au phénomène appelé piézo-électricité d’où leur nom de « quartz piézo-électrique » souvent utilisé : lorsqu’on applique une tension électrique entre les deux faces d’une lame de quartz, celle-ci subit une déformation mécanique.
Réciproquement, une déformation mécanique de la lame engendre une tension électrique entre ses deux faces. Ce phénomène réversible est ainsi utilisé en électronique pour produire des tensions alternatives dont la fréquence est très stable dans le temps et dépend (inversement) de l’épaisseur de la lame de quartz. Il est évident qu’un quartz pris tel quel ne peut pas générer seul une tension alternative.
Il doit donc être associé à un circuit électronique appelé oscillateur. Un tel circuit n’est rien d’autre qu’un amplificateur dont une fraction du signal de sortie est de nouveau injectée en phase sur le signal d’entrée (ligne appelée aussi « boucle de réaction » ou « feed-back » positif). Si un quartz se trouve dans cette boucle, le circuit oscillera sur une fréquence stable et bien précise définie parles dimensions mécaniques du quartz. Par la suite, le signal de sortie sera amplifié et exploité dans les équipements de télécommunication.
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Comme nous l’avons déjà mentionné, la fréquence d’oscillation d’une lame de quartz est définie par son épaisseur, mais elle dépend aussi de la manière dont le cristal de quartz d’origine a été « taillé » autrement dit, coupé et débité en lames. Le mot « taille » utilisé ici, n’a rien à voir avec ses dimensions et désigne la direction ou axe de coupe.
La photo de la figure 3 nous montre des quartz modernes dépourvus de leur capot protecteur. On y distingue les électrodes directement déposées par métallisation sur ses deux faces.
La figure 4 nous montre une esquisse de la construction interne d’un quartz aux dimensions exagérées pour plus de clarté. En réalité, l’épaisseur d’une lame de quartz destinée à 15 MHz par exemple, est de l’ordre de 0,15 millimètre.
L’application d’une tension alternative entre les électrodes d’une lame de quartz, provoque une déformation mécanique de celle-ci. Cette déformation est transmise à l’autre face de la lame et réfléchie de nouveau sur la 1ère face et ainsi de suite. Ce phénomène est rapidement amorti sauf s’il est entretenu par la tension de boucle positive de l’oscillateur de fréquence et égale à celle de résonance fo de la lame de quartz. Dans ces dernières conditions, le circuit oscille sur la fréquence de celle-ci, dite fréquence fondamentale de résonance. On dit alors que l’oscillateur à quartz fonctionne sur la fréquence fondamentale du quartz.
Si la fréquence de la tension de feed