Assi cristallografici e tipi di taglio del quarzo

Questa spiegazione descrive gli assi cristallografici di un cristallo di quarzo sintetico e i diversi tipi di taglio (taglio AT, BT e SC) utilizzati nella produzione di cristalli di quarzo.

1. struttura cristallina del quarzo

Il quarzo (SiO₂) cristallizza nel sistema cristallino trigonale. La struttura consiste in una rete di tetraedri di SiO₄ disposti a spirale lungo l'asse Z (noto anche come asse c).

2. assi cristallografici

Un cristallo di quarzo sintetico presenta i seguenti assi principali:
- a₁-, a₃-, a₃- (assi x): In un piano, a 120° l'uno dall'altro.
- Asse Z (asse c): Corrisponde all'asse ottico.
- Asse Y: Asse elettrico, perpendicolare all'asse Z.

3. Sezione AT

La sezione AT è una sezione inclinata (circa 35,25°) rispetto all'asse Z, nel piano X-Z. Viene utilizzata per produrre cristalli oscillanti stabili in temperatura. L'oscillazione avviene nel piano della lastra (modalità planare).

4. altri tipi di taglio del quarzo

Un confronto tra i più importanti tipi di taglio:

5. conclusione

La scelta del taglio influenza in modo significativo le proprietà di un risonatore al quarzo. Mentre il taglio AT è ampiamente utilizzato, il taglio BT e soprattutto il taglio SC offrono vantaggi specifici in termini di compensazione della temperatura e stabilità meccanica.

Taglio AT

L'AT-Cut è il taglio più diffuso per i cristalli di quarzo ed è utilizzato per produrre tutti i nostri cristalli di quarzo LRT (LOW ESR Resonator Technology). I cristalli AT-Cut sono caratterizzati da una buona stabilità di temperatura, da una bassa deriva di frequenza e da un'ampia gamma di applicazioni. I cristalli AT-cut possono essere miniaturizzati molto bene e sono ideali per i cristalli risonanti nella gamma 3,2 - 285 MHz.

La tolleranza di frequenza a +25°C per i nostri cristalli di quarzo AT-Cut è di ±10 ppm a +25°C. L'invecchiamento è dell'ordine di ±10 ppm dopo 10 anni. Nell'intervallo di temperatura -20/+70°C, la stabilità termica più limitata possibile è di ±10 ppm, a -40/+85°C ±15 ppm, a -40/+105°C = ±30 ppm e ±50 ppm nell'intervallo di temperatura -40/+125°C.

Il cristallo oscillante AT soddisfa quindi tutti i requisiti, anche per applicazioni radio molto precise (banda ISM, WiFi, ecc.).

Taglio BT

Il BT-Cut è un vecchio angolo di taglio, utilizzato in passato quando l'angolo di taglio AT non era ancora così sviluppato. I cristalli oscillanti BT-Cut avevano una maggiore stabilità di temperatura rispetto ai cristalli AT-Cut, ma potevano essere prodotti in modo più economico in un'ampia gamma di frequenze rispetto ai cristalli AT-Cut. Oggi i cristalli di quarzo BT-Cut non vengono più prodotti e sono stati completamente sostituiti dai cristalli di quarzo AT-Cut.

Taglio SC

L'angolo di taglio SC-Cut (Stress Compensated Cut) è un taglio di quarzo a doppia rotazione che offre un'eccellente stabilità di temperatura, un invecchiamento molto basso e una stabilità a lungo termine estremamente elevata. Viene utilizzato in particolare negli oscillatori di precisione come gli OCXO, dove le minime deviazioni di frequenza sono fondamentali (ad esempio nelle telecomunicazioni, nel 5G, nei riferimenti GPS, nella tecnologia di misura, ecc.)

Gli OCXO sono oscillatori a cristallo controllati da forno, in cui un "forno" interno viene utilizzato per mantenere il cristallo SC-cut a una temperatura ideale costante. Questa temperatura ideale è compresa nell'intervallo tra 80 e 85°C, dove il cristallo SC-cut ha anche il suo ciclo 0. Un'altra caratteristica speciale dei cristalli di quarzo SC-Cut negli OCXO sono le modalità di oscillazione. Ad esempio, negli OCXO, le frequenze del quarzo SC a 5 o 10 MHz non sono realizzate nella fondamentale, ma nella quinta armonica. Perché? È una questione di C1 o capacità dinamica. Un cristallo nella quinta armonica ha una C1 molto più piccola di un cristallo fondamentale, per cui il cristallo SC tagliato nell'OCXO oscilla in modo molto più preciso.