Ορισμένοι κρύσταλλοι έχουν την εξής ιδιότητα: Με την εφαρμογή μηχανικών πιέσεων πάνω τους παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Το φαινόμενο αυτό της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική, από ένα κρύσταλλο, ονομάζεται πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
Επίσης, παρατηρήθηκε και το αντίστροφο φαινόμενο: Με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου σε ένα κρύσταλλο, παρατηρούνται ταλαντώσεις μετατρέποντας τη ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Αυτό το φαινόμενο εκμεταλλευόμαστε για την κατασκευή κρυσταλλικών ταλαντωτών με τους οποίους μπορούμε να αντικαταστήσουμε τα κυκλώματα συντονισμού.
Οι κρύσταλλοι στου οποίους εμφανίζεται το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι οι κρύσταλλοι της τουρμαλίνης, του τιτανιούχου βαρίου, του άλατος Rochelle και του χαλαζία. Οι κρύσταλλοι του χαλαζία είναι σήμερα οι πιο σημαντικοί κρύσταλλοι αυτής της κατηγορίας.
Κρύσταλλοι χαλαζία
Ο χαλαζίας (Quartz) είναι η μια από τις τρεις κρυσταλλικές μορφές του SiO2 . Είναι το καθαρότερο SiO2, χωρίς ξένες προσμίξεις, είναι υλικό σχεδόν διαφανές, τήκεται στους 1700 oC ενώ μετά τους 1200 oC γίνεται εύπλαστο και κατεργάζεται εύκολα. Ο κρύσταλλος χαλαζία βρίσκεται σαν ορυκτό σε πολύ μικρές ποσότητες, γι’ αυτό παράγεται συνθετικός κρύσταλλος χαλαζία με ειδικές μεθόδους.
Οι άξονες του κρυστάλλου
Ο κρύσταλλος του χαλαζία είναι πρισματικός εξαγωνικής διατομής με τα άκρα του να έχουν μορφή εξαγωνικών πυραμίδων. Στο σχήμα που ακολουθεί δίνεται η κάθετος τομή καθώς και η προοπτική μορφή ενός τέτοιου κρυστάλλου.
Στον κρύσταλλο του χαλαζία ο άξονας ΖΖ` που όπως φαίνεται στο σχήμα διέρχεται από τις κορυφές των πυραμίδων ονομάζεται οπτικός άξονας. Στον κρύσταλλο χαλαζία διακρίνουμε άλλους δυο άξονες οι οποίοι τέμνουν κάθετα τον οπτικό άξονα και είναι: 1) ο άξονας ΧΧ` που διέρχεται από δυο απέναντι ακμές του εξαγωνικού πρίσματος και ονομάζεται ηλεκτρικός άξονας και 2) ο άξονας ΥΥ` που διέρχεται από το μέσο δυο απέναντι εδρών του πρίσματος και ονομάζεται μηχανικός άξονας.
Στην πράξη δεν χρησιμοποιούνται ολόκληροι κρύσταλλοι χαλαζία αλλά μόνο μικρά τμήματα (φέτες) των κρυστάλλων, που αποκόπτονται από τον αρχικό κρύσταλλο με κατάλληλες τομές.
Τομή – ΑΤ
Η πιο συνηθισμένη τομή είναι αυτή που γίνεται με γωνία 650 ως προς το επίπεδο που σχηματίζουν ο ηλεκτρικός ΧΧ` και ο μηχανικός άξονας ΥΥ`. Η τομή αυτή είναι γνωστή με τον κωδικό τομή-ΑΤ
Έχει αποδειχθεί ότι η κλίση της τομής καθορίζει τον συντελεστή θερμοκρασίας. Τα πλεονεκτήματα της τομής-ΑΤ είναι ο σχεδόν μηδενικός συντελεστής θερμοκρασίας, δηλαδή το πλακίδιο που αποκόπτεται με τομή ΑΤ πρακτικά δεν επηρεάζεται από τις μεταβολές της θερμοκρασίας.
Διασύνδεση κρυστάλλων
Τα πλακίδια που προκύπτουν από τις τομές πάνω στον κρύσταλλο λειαίνονται και αποκτούν συνήθως κυλινδρική μορφή συγκεκριμένων διαστάσεων, οι οποίες καθορίζονται με μεγάλη ακρίβεια. Από το πάχος κάθε τέτοιου δίσκου χαλαζία καθορίζεται η συχνότητα ταλάντωσης του. Όσο μικρότερο είναι το πάχος του πλακιδίου τόσο μεγαλύτερη είναι η ιδιοσυχνότητα ταλάντωσης του.
Η σύνδεση του κρυστάλλου με τους ακροδέκτες τους μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπου, που εξαρτάται από τον κατασκευαστή. Με ατμοποίηση μετάλλου τοποθετούνται ηλεκτρόδια στις δυο πλευρές του χαλαζία για την εφαρμογή εναλλασσόμενης τάσης η οποία εξαναγκάζει τον κρύσταλλο σε ταλάντωση. Στην συνέχεια στα ηλεκτρόδια αυτά γίνεται συγκόλληση των ακροδεκτών του εξαρτήματος
Χρήση των κρυστάλλων
Οι κρύσταλλοι στην πράξη χρησιμοποιούνται σε μικρόφωνα ή πικάπ (μετατροπή μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική) καθώς και σε μεγάφωνα και ακουστικά (η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική). Η σπουδαιότερη όμως εφαρμογή τους είναι η χρησιμοποίηση τους για την σταθεροποίηση της συχνότητας των σταθμών εκπομπής και γενικά των ταλαντωτών.
Η εφαρμογή αυτή βασίζεται στο ότι κάθε τεμάχιο κρυστάλλου έχει μια δική του “φυσική” συχνότητα ταλάντωσης, που εξαρτάται από τις διαστάσεις του. Αν ο κρύσταλλος τοποθετηθεί στο κύκλωμα συντονισμού ενός ταλαντωτή αντί πηνίου και πυκνωτή και το κύκλωμα συντονιστεί στη φυσική συχνότητα του κρυστάλλου, τότε δημιουργούνται συντηρούμενες ταλαντώσεις εξαιρετικά σταθερής συχνότητας, ίση με εκείνη του κρυστάλλου.
Οι κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα που παράγουν ταλαντώσεις στο εύρος από 800kHz έως 360MHz. Για ταλαντώσεις με συχνότητες μεγαλύτερες από 10MHz εκμεταλλευόμαστε τις αρμονικές συχνότητες της ταλάντωσης και συγκεκριμένα την 3η, ή την 5η ή την 7η ή την 9η αρμονική συχνότητα.
Ηλεκτρικό ισοδύναμο του κρυστάλλου
Το παρακάτω σχήμα δείχνει το ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα του κρυστάλλου και τη μεταβολή της σύνθετης αντίστασης του Ζ, με τη συχνότητα (καμπύλη απόκρισης).
Η ωμική αντίσταση R, η αυτεπαγωγή L και η χωρητικότητα σειράς Cs του ισοδύναμου κυκλώματος παριστάνουν ηλεκτρικά ισοδύναμα μεγέθη των μηχανικών χαρακτηριστικών δόνησης του κρυστάλλου. Η παράλληλη χωρητικότητα Cp, παριστάνει την ηλεκτροστατική χωρητικότητα μεταξύ των ηλεκτροδίων του κρυστάλλου.
Όπως φαίνεται και από την καμπύλη απόκρισης, ο κρύσταλλος έχει δυο συχνότητες συντονισμού, μιας σειράς fos, όπου η σύνθετη αντίσταση του είναι μικρή και μια παράλληλη fop, όπου η σύνθετη αντίσταση του είναι μεγάλη. Και στις δυο περιπτώσεις το Q του κυκλώματος είναι μεγάλο. Για τους περισσότερους κρυστάλλους, η διαφορά της fop-fos μεταξύ των δυο συχνοτήτων συντονισμού τους είναι πολύ μικρή. Τον κρύσταλλο μπορούμε να τον συντονίσουμε στη μια ή την άλλη από τις δυο συχνότητες συντονισμού.