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Benutzer Diskussion:Elcap/Kondensator (Elektrotechnik)/ReviewJan2007

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Schwingquarz

Datei:Quarz3.jpg
Schwingquarz für 4 MHz
Datei:Quarze.jpg
Quarze in verschiedenen Bauformen

Ein Schwingquarz (englisch Crystal), abgekürzt nur auch als Quarz bezeichnet, ist ein elektro-mechanisches Bauelement und dient der Erzeugung einer elektrischen Schwingung. Er besteht aus einem aus einem Plättchen, das in einer genau definierter Weise aus einem piezoelektrischen Quarzkristall herausgeschnitten wird. Dieses Plättchen, ein elektromechanischer Resonator, das beidseitig metallisiert und kontaktiert und, nur durch die Anschlüsse gehalten, frei in einem luftdichten Gehäuse montiert ist, gerät im elektrischen Wechselfeld in mechanische Schwingungen, wenn die Frequenz des Wechselfeldes mit der Eigenfrequenz des Quarzplättchens übereinstimmt. Dadurch wirkt der Schwingquarz wie ein elektrischer Resonanzkreis mit sehr geringer Dämpfung (= sehr hohem Gütefaktor).

Allgemeines

Das Basismaterial eines Schwingquarzes ist Quarz, die kristalline Form des Siliziumdioxids (SiO2), das als Bergkristall natürlicherweise vorkommt. Quarzkristalle treten in einem trigonalen Kristallsystem in zwei Arten auf, als „Rechts-„ oder als „Linksquarz“ [1] [2]. Diese beiden Arten sind sich spiegelbildlich gleich. Der Querschnitt eines idealen Quarzkristalls ist sechseckig. Wie in der Kristallographie üblich, werden die 3 senkrecht aufeinander stehenden Achsen mit x, y und z definiert. Die z-Achse, auch optische Achse genannt, geht durch die Spitze des Kristalls. Die y-Achse verbindet zwei sich gegenüber liegende Seitenflächen des Kristalls miteinander und wird mechanische Achse genannt. Rechtwinklig zur y-Achse liegt die x-Achse, die sogenannte elektrische Achse, weil bei mechanischer Belastung des Kristalls in dieser Richtung eine elektrische Ladung auftritt. Allerdings treten bei Quarzkristallen zwei Kristallsysteme auf, das hexagonale Kristallsystem, das bei Temperaturen oberhalb 573°C auftritt und das frei von piezoelektrischen Erscheinungen ist und das trigonale Kristallsystem unterhalb von 573°C, die α-Modifikation des Quarzkristalls. Nur die α-Modifikation von Quarz hat piezoelektrische Eigenschaften.

Aus dem Quarzkristall wird nun ein Schwingquarz, wenn aus dem Kristall eine Scheibe oder ein Plättchen in einer genau definierten Schnittrichtung herausgeschnitten wird. Wird diese Scheibe oder das Plättchen mechanisch deformiert, so werden elektrische Ladungen auf seiner Oberfläche erzeugt. Dieser piezoelektrische Effekt, die Piezoelektrizität, ist auch umkehrbar, das heißt, wird ein elektrisches Feld an dieses Material gelegt, so verformt es sich (inverser Piezoeffekt). Sobald das elektrische Feld nicht mehr anliegt, nimmt das Material seine ursprüngliche Form wieder an, wobei eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die einmal durch Anlegen einer Spannung hervorgerufene mechanische Verformung am piezoelektrischen Kristall eines Schwingquarzes erzeugt nach dem Ausschalten der Spannung ein elektrisches Signal. Mittels einer Rückkopplungsschaltung kann dieses Signal für die Erzeugung einer mechanischen Resonanzschwingung des Materials genutzt werden, wobei wegen der Stabilität der physikalischen Parameter des Siliziumoxids ein sehr stabiles Taktsignal mit genauer Frequenz und definierter Amplitude entsteht.


Historie

Der direkte Piezoeffekt wurde im Jahre 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie entdeckt. 1881 entdeckten sie ebenfalls den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, die Längenänderung beim Anlegen eines elektrischen Feldes durch eine Spannung. Über 30 Jahre zählte dann der piezoelektrische Effekt eher zu den Kuriositäten der Wissenschaft.

Paul Langevin wendete 1916 als erster die Piezoelektrizität von Quarzkristallen mit dem Bau der ersten Ultraschall-Objekterfassung (Sonar) technisch an und entwickelte für die französische Marine das erste Echolot-System. Er benutzte dabei eine Anordnung mehrerer parallel geschalteter gleicher X-Schnitt-Quarzelemente, die mit einem Gleichstromimpuls beaufschlagt wurden. Langewin beschreibt in diesem Zusammenhang das erste Mal das Phänomen der Resonanz. [3] Kurioserweise begann die Entwicklung der Schwingquarze nicht mit einem Quarzkristall. Denn der erste durch einen Kristall angesteuerte Oszillator wurde mit einem natürlichen Kristall aus Rocheller Salz (Seignettesalz) versehen. Er wurde 1918 in den Bell Telephone Laboratories von Alexander M. Nicholson entwickelt und zum Patent angemeldet. [4] Aber schon 1 Jahr später, 1919, wurde von W.G.Cady der Seignette-Kristall in einem Oszillator zur Stabilisierung einer Frequenz durch einen Quarzkristall ersetzt, weil hierin der Piezoeffekt stärker ausgebildet war. 1921 beschrieb Cady dann den ersten Schwingquarz-gesteuerten RF-Oszillator.

In den USA wurde ab 1923 mit der Gründung eines Quarzlabors bei den Bell Telephone Laboratories und 1924 eines weiteren Forschungslabors für Quarze bei General Electric die Entwicklung der Schwingquarze deutlich vorangetrieben. Aber sowohl in den USA als auch in Deutschland kamen in dieser Zeit, in der sich die Rundfunktechnik entwickelte, die maßgeblichen Impulse für neue Schaltungen oft von Funkamateuren. Die erste Veröffentlichung über den praktischen Aufbau von Quarzoszillatoren erschien 1924 in der Funkamateur Zeitung QST. [5]

Ab 1926 wurden die Sendefrequenzen von Rundfunksendern mit Schwingquarzen stabilisiert. [6]. 1928 wurde durch Warren Marrison in den Bell Telephone Laboratories die erste quarzgesteuerte Uhr entwickelt. Diese Entwicklung ersetzte die bislang in Uhren benutzte mechanische Zeitsteuerung mit Pendeln oder Federn und verbesserte die Genauigkeit der Zeitmessung auf eine Abweichung von nur 30ms/Jahr, das sind etwa 60 ppm. [7]

Bis 1934 wurden Schwingquarze zur Frequenzstabilisierung nur im X-Schnitt gefertigt. In diesem Jahr wurde unanhängig voneinander von Koga in Japan, Bechman und Straubel in Deutschland und F.R.Lack, G.W.Willard und I.E.Fair der Bell Lab. in den USA, die AT- und BT-Schnitte mit sehr geringen Temperaturkoeffizienten entwickelt. Die Schnittwinkel der Quarzplättchen wurden mit polarisiertem Licht auf 1/6° genau realisiert. Erst ab 1942 wird die präzisere Messung der Schnittwinkel mit Röntgenstrahlen eingeführt. Mit dieser Methode konnte der Schnittwinkel auf 1/50° genau eingestellt werden. Allerdings war die Einhaltung der Frequenzstabilität auch eine Frage der Umhüllung der Quarze. Bis weit in die 1940er Jahre wurden die Schwingquarze in einer Kunststoffumhüllung mit dem Nachteil der Feuchte-Empfindlichkeit und der damit einhergehenden zeitlichen Inkonstanz der Frequenz gefertigt. Erst Anfang der 1950er Jahre wurden evakuierte und hermetisch geschlossene Metall-oder Glasgehäuse zur Verbesserung der zeitlichen Stabilität entwickelt.

Niederfrequenz-Schwingquarz aus den 1960er Jahren in einer evakuierten Röhre mit einer damals üblichen Röhrenfassung

In den Jahren zwischen 1930 bis 1950 war es üblich, nicht nur für Amateure, die Resonanzfrequenz eines Schwingquarzes durch manuelles Nachschleifen der Anforderung anzupassen. Durch Schleifen mit einem feinen Scheuermittel oder einfach mit Zahnpasta konnte die Resonanzfrequenz erhöht werden. Eine Verringerung der Resonanzfrequenz um 1 bis 2 kHz konnte durch „Beschriften“ des Kristallplättchens mit einem Bleistift erreicht werden, allerdings verringerte sich dabei dann der Gütefaktor Q. [8]

Während des 2. Weltkrieges wurde, vor allem in den USA, die Produktion von Schwingquarzen aufgrund des Bedarfes für militärische Zwecke enorm ausgeweitet. Natürliche Quarzkristalle, die zum größten Teil aus Brasilien kamen, wurden knapp und zu kriegswichtigen Rohmaterialen erklärt. Die Lösung dieses Problems kam aus der Chemie. 1944 erfolgen in Deutschland die ersten Versuche, das Rohmaterial Quarz (Bergkristall) industriell zu synthetisieren. 1948 beginnen bei Brush (USA), Sawyer (USA) und Nihon Dempa Kogyo (NDK) in Japan Entwicklungen zur Herstellung von synthetischem Siliziumdioxidkristalle im technischen Maßstab. Der Transistor wurde 1948 erfunden. Die bei den Schwingquarzen entwickelte Fähigkeit, künstliche Siliziumeinkristalle züchten zu können, hat sicherlich auch mit dazu beigetragen, dass die sich danach entwickelnde Halbleitertechnik stürmisch weiter entwickeln konnte. Auch wegen der miteinander verwandten Grundmaterialien lag es nahe, die neuen Transistoren mit den Schwingquarzen zu kombinieren. 1954 wurden die durch eine Steuerspannung in der Frequenz modulierbaren Transistor-Quarzoszillatoren, VCXO, entwickelt und auf den Markt gebracht. Später, als die integrierten Techniken weite Teile der Elektronik erfasst hatten, kam die Frage auf: Warum kann auf dem Siliziumkristall des Schwingquarzes neben der Anschlussmetallisierung nicht auch noch die Elektronik für einen Oszillator integriert werden? Die Antwort eines holländischen Herstellers wurde berühmt: Weil man nicht im Vorland der Deiche baut! Oder übersetzt: Die Resonanzfrequenz und das gesamte Verhalten des Quarzes kann dann nicht mehr eindeutig definiert werden.

Die Entwicklung der Schwingquarze in den 1950er Jahren, wobei wieder die Bell Telephone Laboratories maßgebend waren, (1952, Warner, Dimensionierung und Herstelldetails für Schwingquarze hoher Schwingungsgüte und geringer Alterung für Primärfrequenzstandards) ist durch die Erweiterung der Resonanz auf die 3., 5., 7. und 9. Oberwelle von Quarzresonatoren gekennzeichnet, deren Frequenzen geeignet waren, auch sehr hohe Frequenzbereiche steuern zu können.

Stimmgabelquarz, Länge 2 mm

Eine neue Herstelltechnik bei den Schwingquarzen wurde 1968 durch J.Staudte entwickelt. Er entwickelte Miniatur-Quarz-Stimmgabelschwinger, die mit der aus der Halbleitertechnologie bekannten Wafer-Foto-Ätztechnik hergestellt wurden.

In den letzten 40 Jahren wurden auf dem Gebiet der Schwingquarze eine ganze Reihe von Detailverbesserungen durchgeführt. Miniaturisierung und SMD-Versionen folgen dem allgemeinen Trend der Elektronik. Auch heutzutage (2010) werden Schwingquarze noch in großen Stückzahlen hergestellt und bieten für die Elektronik die entscheidenden Bauelemente für frequenzgenaue und temperatur- und zeitstabile Taktgeberschaltungen. Jedoch ist den Schwingquarzen Konkurrenz entstanden. Mit den Keramikresonatoren werden Bauelemente angeboten, bei denen preiswerte Schaltungslösungen realisiert werden können, die jedoch meist nicht großen Wert auf Frequenzgenauigkeit gelegt wird. Bei gleichen Anforderungen an die Genauigkeit wie bei den Schwingquarzen kommen in den letzten Jahren aber verstärkt neue MEMS-Resonatoren verstärkt auf den Markt, die möglicherweise aufgrund ihrer Programmierbarkeit eine echte Alternative zu den altbewährten Quarzresonatoren bilden können.

Schwingungsformen

Ein aus einem Quarzkristall herausgeschnittenes Quarzplättchen führt im elektrischen Wechselfeld Deformationsschwingungen aus, wenn die Frequenz des Wechselfeldes mit der Eigenfrequenz des Quarzplättchens übereinstimmt. Dabei können unterschiedliche mechanische Schwingungsformen auftreten. Für kleinere Frequenzen unterhalb 1 MHz werden Längs-, Biege- oder auch Stimmgabelschwingungen zur Erzeugung einer Resonanz ausgenutzt. Für Frequenzen ab 1 MHz aufwärts kommen praktisch nur noch oder Dickenscherschwinger zur Anwendung. Bis etwa 20 bis 30 MHz werden die Resonatoren in ihrer Grundwelle betrieben. Oberhalb 30 MHz bis etwa 250 MHz werden Dickenscherschwinger mit ihrer ungeraden Oberwelle bis hin zur 9. Oberwelle angeregt. Eine Besonderheit sind die Oberflächen-Scherschwinger, die in Oberflächenwellenfiltern eingesetzt werden.

Kristallschnitte

Die Eigenschaften von Schwingquarzen wie Stabilität und thermische Abhängigkeit der Frequenz werden vom Winkel, mit dem die Resonatorplättchen aus dem Quarzkristall herausgeschnitten werden, bestimmt. Denn durch den Schnittwinkel ist die Struktur der Kristallisation in einem Resonatorplättchen vorgegeben und die Kristallisationsrichtung hat natürlich einen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Piezokristalls. Dies gilt auch für weitere Bauelemente wie z. B. Oberflächenwellenfilter (surface acoustic wave, SAW), die mit Quarzkristallen als Basismaterial arbeiten.

Die Lage der Schnitte im Quarzkristall wird mit Hilfe der geometrischen Achsen als Winkel zwischen X und Y und ggfs. auch noch Z definiert. Jeder spezielle Schnitt wird mit einer Buchstabenkombination gekennzeichnet wobei ein „T“ in dieser Kombination immer auf einen Temperatur-stabilisierten Schwingquarz hinweist. [11]

Die Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Schwingquarzen, denn die Resonatorfrequenz soll so stabil wie möglich sein. Deshalb ist diese Eigenschaft ein Kriterium, die Eignung der unterschiedlichen Kristallschnitte beurteilen zu können. Dazu sind im linken oberen Bild die Frequenzänderungen im Temperaturbereich von -40 °C bis +120 °C bei verschiedenen Kristallschnitten aufgeführt. Es zeigt sich, dass die meisten Kristallschnitte eine doch recht große Temperaturänderung der Resonanzfrequenz aufweisen. Lediglich der AT-Schnitt hat ein vergleichsweise stabiles Temperaturverhalten über eine weiten Temperaturbereich. Deshalb werden bei mehr als 90 % aller gefertigten Schwingquarze, mit Ausnahme der Stimmgabelquarze, die Kristalle im AT-Schnitt geschnitten.

[12]

Der AT-Schnitt hat für Frequenzen bis 10 MHz einen Steigungswinkel des Kristallschnittes von 35°15’ der X-Achse gegenüber der optischen Z-Achse auf (35°18’ für Frequenzen > 10 MHz). Die Änderung der Frequenz mit steigender Frequenz führt zu einer sinusförmigen Kurve mit zwei Wendepunkten im Bereich zwischen etwa -40 bis +100 °C, wobei der mittlere Bereich zwischen den Wendepunkten bei etwa 25 bis 35 °C liegt und dort im Idealfall einen nahezu linearen Verlauf hat. Wie das rechte obige Bild zeigt, kann mit einer geringen Änderung des Schnittwinkels der Wendepunkt der Frequenz-Änderungskurve, in dem ein Bereich mit sehr geringer Frequenzänderungen vorhanden ist, in den höheren Temperaturbereich gelegt werden. Dies wird bei den temperaturkompensierten Oszillatoren TCXO und OCXO ausgenutzt.

Neben den einfach gedrehten Schnitten durch den Kristall werden auch Schnitte durchgeführt, die doppelt gegenüber der X-Achse gedreht sind. Schnitte dieser Art sind oft für Sensoren bestimmt.

Einfach und doppelt gedrehter Kristallschnitt [13]

Die Frequenz eines Quarzkristalls in der Grundwelle hängt linear im umgekehrten Verhältnis zur Dicke des Plättchens ab. Das bedeutet, dass der mechanisch dünnste herstellbare Kristallschnitt die höchste Resonanzfrequenz bestimmt. Dieser Grenzwert liegt heutzutage (2010) bei etwa 50µm. Die „Frequenzkonstante“, das ist die Dicke eines Plättchens, die eine Resonanzfrequenz von 1 MHz zur Folge hat, beträgt für AT-Schnitte 1,661  mm. Das heißt, dass mit einer Dicke des Quarzplättchens von 50 µm eine Resonanzfrequenz von etwa 30 MHz erzeugt werden kann. Allerdings kann durch Strukturätzen des geschnittenen Kristalls mit der Inverted-Mesa-Technik die Dicke eines Quarzplättchens noch bis auf etwa 30 µm verringert werden, so dass mit dieser speziellen Herstelltechnik eine obere Resonanzfrequenz der Grundwelle von 55,7 MHz erreicht werden kann. [14]

Neben der Dicke eines Resonators sind die äußeren Abmessungen des Quarzplättchens bzw. der Quarzscheibe eine wichtige Größe. Sie bestimmen die Güte des Schwingquarzes, je größer die Abmessungen des Resonators sind, desto höher ist der Gütefaktor. [15]


Schnitt Frequenzbereich Schwingungsmode Schnittwinkel Hinweise
AT 0.5-300 MHz Dickenscherschwinger 35°15', 0° )
(<25 MHz)
35°18', 0°)
(>10 MHz)
AT-Dickenscherschwinger haben eine geringe und nahezu lineare Temperaturabhängigkeit der Frequenz bei etwa 25 bis 35 °C. Mit geringen Änderungen des Schnittwinkels können AT-Resonatoren mit nahezu lineare Temperaturabhängigkeit der Frequenz für höhere Temperaturen hergestellt werden. Dies wird bei den temperaturkompensierten Oszillatoren TCXO und OCXO ausgenutzt. [16] Die Frequenzkonstante des AT-Schnittes beträgt 1,661 mm bei 1 MHz. [17] AT-Quarze sind empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen verursacht durch Vibration oder Stoß sowie durch Temperaturwechsel.
SC 0.5-200 MHz Dickenscherschwinger 35°15', 21°54'
Doppelt gedreht
Der SC-Schnitt ist ein speziell für temperaturkompensierten Oszillatoren TCXO und OCXO entwickelt worden und zeichnet sich durch geringes Phasenrauschen und geringe Alterung aus. Die Kurve der Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur zeigt bei 95 °C einen nahezu linearen Verlauf. Der SC-Schnitt ist weniger empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen verursacht durch Vibration oder Stoß sowie durch Temperaturwechsel, hat eine höhere Güte, besonders, wenn der Kristall im Vakuum betrieben wird und ist weniger empfindlich gegenüber der Einwirkung der Schwerkraft als die AT-Schnitte. SC-Quarze werden in Raumfahrt und in GPS-Systemen eingesetzt.

Die Frequenzkonstante des SC-Schnittes beträgt 1,797 mm bei 1 MHz.[18] [19] [20] [21]

BT 0.5-200 MHz Dickenscherschwinger -49°8', 21°54’ Der BT-Schnitt hat bei 25 °C ähnliche Eigenschaften wie der AT-Schnitt. Die Frequenzkonstante des BT-Schnittes beträgt 2,536 mm bei 1 MHz. Wegen der damit dickeren Kristallplättchen können im BT-Schnitt Resonatoren für Frequenzen über 50 MHz hergestellt werden.
IT Doppelt gedreht Dickenscherschwinger Der IT-Schnitt ist ein speziell für temperaturkompensierten Oszillatoren TCXO und OCXO entwickelt worden. Die Kurve der Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur zeigt bei 78 °C einen nahezu linearen Verlauf, ansonsten zeigt der IT-Schnitt ähnliche Eigenschaften wie der SC-Schnitt.
FC Dickenscherschwinger Doppelt gedreht Der FC-Schnitt ist ein speziell für temperaturkompensierten Oszillatoren TCXO und OCXO entwickelt worden. Die Kurve der Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur zeigt bei 52 °C einen nahezu linearen Verlauf, ansonsten zeigt der FC-Schnitt ähnliche Eigenschaften wie der SC-Schnitt. Weil die Temperatur beim stabilen Frequenzbereich mit 52 °C niedriger ist als bei SC- und IT-Schnitten, gilt der FC-Schnitt als Energie sparende Version für temperaturkompensierte Oszillatoren. [22]
AK Dickenscherschwinger Doppelt gedreht Der AK-Schnitt hat ein besseres Temperatur-Frequenzverhalten als

AT- und BT-Schnitte mit einer höheren Toleranz gegenüber der Kristall-Orientation als die AT-, BT- und SC-Schnitte. [18]

CT 300–900 kHz Flächenscherschwinger 38°, 0° Das Temperatur-Frequenzverhalten der Resonatoren mit CT-Schnitt bildet eine nach unten offene Parabel. Sie werden meist für niedrige Frequenzen im kHz-Bereich verwendet, am häufigsten für Uhrenquarze und Funkuhrenquarze.
DT 75–800 kHz Flächenscherschwinger -52°, 0° Das Temperatur-Frequenzverhalten der Resonatoren mit DT-Schnitt bildet eine nach unten offene Parabel, ählich wie beim CT-Schnitt, jedoch flacher im Verlauf.
SL 400-800nbsp;kHz Flächenscherschwinger -57°, 0° Das Temperatur-Frequenzverhalten der Resonatoren mit SL-Schnitt ähnelt dem DT-Schnitt.
GT 0.1-3 MHz Dehnungsschwinger 51°7' Die Frequenzänderung im Temperaturbereich zwischen -25 °C und + 75 °C ist nahezu Null.
E, 5°X 50–250 kHz Längsschwinger Der E-Schnitt hat hat einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten. Er wird für Quarzfilter im niedrigen Frequenzbereich eingesetzt.
MT 40–200 kHz
ET 66°30'
FT -57°
NT 8–130 kHz Biegeschwinger
XY, 3–85 kHz Biegeschwinger
Stimmgabelschwinger
Der XY-Schnitt ist der am meisten verwendete Niederfrequenz-Schwingquarzschnitt. Er ist kleiner als andere Niederfrequenzschnitte, preiswerte herzustellen, hat eine niedrige Impedanz und ein geringes Co/C1 Verhältnis. Die Haupt-Applikation ist die Uhrenfrequenz 32.768 kHz
H 8–130 kHz Biegeschwinger Der H-Schnitt wird für Breitbandfilter verwendet. Er hat einen linearen Temperaturkoeffizienten.
J 1–12 kHz Biegeschwinger Der J-Schnitt wird verwendet für die Zusammenschaltung zweier Quarzresonatoren, ausgewählt um ein phasenverschobenes Signal bei einem gegebenen elektrischen Feld zu liefern.
RT Doppelt gedreht -
SBTC Doppelt gedreht -
TS Doppelt gedreht -
X 30° Doppelt gedreht -.
LC Dickenscherschwinger 11.17°/9.39°
Doppelt gedreht
Der LC-Schnitt besitzt einen linearen Temperaturkoeffizienten. Er kann als Sensor in Quarz-Thermometern verwendet werden. [23]
AC 31° Der AC-Schnitt kann als Sensor in Quarz-Thermometern verwendet werden. Der Temperaturkoeffizient beträgt 20 ppm/°C. [24]
BC -60° Der BC-Schnitt kann als Sensor in Quarz-Thermometern verwendet werden [24]
NLSC Der NLSC-Schnitt kann als Sensor in Quarz-Thermometern verwendet werden Der Temperaturkoeffizient beträgt 14 ppm/°C. [24]
Y Der Y-Schnitt kann als Sensor in Quarz-Thermometern verwendet werden. [24] Der Temperaturkoeffizient beträgt 90 ppm/°C. [25]
X 10-100 kHz
40-200 kHz
Biegeschwinger
Dehnungsschwinger
0
0
Der X-Schnitt wurde im ersten Ultraschall-Quarzoszillator 1921 von W.G. Cady und im ersten 50 kHz Oszillator für Uhren 1927 von Horton und Marrison verwendet. [26] [27]

Herstellung

Schematischer Fertigungsablauf der Herstellung von SMD-Schwingquarzen

Die Herstellung von Schwingquarzen erfolgt in den folgend aufgeführten Schritten:

1. Synthetische Herstellung des Quarzkristalls

2. Herausschneiden (sägen) der Quarzplättchen (Wafer)

3. Schleifen und Reinigen der Wafer

4. Überprüfung der Kristall-Orientation (Röntgen)

5. Ablängen der Plättchen bzw. Abrunden der Plättchen zu Scheiben (Blanks)

6. Reinigung und Ätzung der Blanks

7. Aufdampfen der Elektroden

8. Montage der Resonatoren an die Kristallhalter

Halterung eines Quarzresonators

9. Abschließendes Nachjustieren der Frequenz durch Aufdampfen metallischer Schichten im Vakuum

10. Einbau und luftdichtes Verschließen des Resonators in einem Gehäuse

Synthetische Herstellung des Quarzkristalls

Synthetischer Quarz-Einkristall , etwa 190 mm lang und 127 g schwer

Ursprünglich wurden Schwingquarze aus natürlich vorkommenden Quarzkristallen, auch Bergkristall genannt, hergestellt. Aber das natürliche Material bildet oft keinen idealen Kristall. Es treten Verzwillungen auf, das sind Verwachsungen innerhalb des Kristalls, deren Hauptachsen nicht übereinstimmen. Weiterhin können solche Kristalle Wachstumsunterbrechungen, Gas- und Flüssigkeitseinschlüsse aufweisen, so dass in der Industrie mit den natürlich vorkommenden Kristallen eine Großserienfertigung nicht möglich ist. Die zur Herstellung von Schwingquarzen benötigten Kristalle werden deshalb schon seit den 1950er Jahren nach dem Hydrothermal-Prinzip synthetisch hergestellt. Hierbei wird die geologische Entstehung von Quarz in vertikalen Autoklaven nachgebildet.

Der Autoklav ist im unteren Bereich mit einer Natriumhydroxid-Lösung gefüllt, in der sich feinverteilter Naturquarz bei etwa 400 °C und 800 bar unter Kieselsäurebildung bis zur Sättigung auflöst. Durch Wärmekonvektion strömt die übersättigte Lösung in den oberen Teil des Autoklaven und kristallisiert dort bei einer Temperatur von etwa 350/C an dort befindlichen Quarz-Impfkristallen aus. Die abgekühlte Lösung sinkt wieder in den heißeren Bereich ab und nimmt erneut Kieselsäure auf. Es entsteht ein Kreislauf, der zum Wachsen von Quarz-Einkristallen mit einer Wachstumsrate von etwa 0,2 bis 1 mm pro Tag führt. [28] Die Kristallbildung erfolgt überwiegend auf der Z-Fläche und ist frei von Verwachsungen und Verzwilligungen. Im Allgemeinen dauert der Wachstumsprozess etwa 40 bis 80 Tage und ergibt Einkristalle von etwa 200 mm Länge und einer Breite von bis zu 50 mm mit einem Gewicht von etwa 0,2 bis 1 kg. Die Weltjahresproduktion geht mittlerweile in die Millionen Tonnen. [29] Die synthetische Herstellung des Quarz-Einkristalls hat weitere Vorteile. Da die Zusammensetzung des Grundmaterials sehr genau bestimmt werden kann, kann die Reinheit des Kristalls, die entscheidend für die spätere Güte und die zeitliche Frequenzstabilität des Schwingquarzes ist, recht genau eingestellt werden. Zusatzstoffe, die ggfs. die Wachstumsgeschwindigkeit erhöhen und deren Auswirkungen auf das Verhalten der Quarze bekannt sind, können somit präzise beigemischt werden.

Anwendungen

Uhrenquarze (Pfeile) in einer Damen- und Herren-Armbanduhr

Stückzahlmäßig am häufigsten werden Schwingquarze als sogenannte „Clock-Generatoren“ in Uhrenanwendungen eingesetzt. Sie finden sich in praktisch allen Sendeanlagen, in Empfängern, als Taktgeber in Computern und Mikrocontrollern sowie in Frequenzzählern und digitalen Signalgeneratoren. Ebenso eignen sich Quarze zur Realisierung von Filtern. Mit entsprechend geschnittenen Quarzen sind durch den Temperaturgang der Resonanzfrequenz sehr genaue Temperatursensoren herstellbar. In Beschichtungsanlagen dienen frei aufgehängte Schwingquarze der Messung der erreichten Schichtdicke, indem die Änderung ihrer Resonanzfrequenz verfolgt wird, die durch die Massenzunahme infolge der auf dem Quarz entstehenden Schicht entsteht. Wenngleich sich Quarze durch die mechanische Bearbeitung für beliebige Resonanzfrequenzen innerhalb eines zulässigen Intervalls herstellen lassen, haben sich handelsüblich einige wesentliche Frequenzen ergeben. Auszugsweise sind dies:

Frequenz in MHz Primäre Anwendung
0,032768 Echtzeituhren und Quarzuhren; erlaubt eine Division durch 215, um einen Sekundenimpuls zu erhalten.
1,8432 Takt für UARTs; erlaubt ganzzahlige Divisionen zu üblichen Bitraten wie 9600 bps.
3,579545 Frequenz des Farbträgers in der US-Farbfernsehnorm NTSC. Aufgrund der weiten Verbreitung findet diese Frequenz auch bei dem Mehrfrequenzwahlverfahren im Telefoniebereich Anwendung.
3,686400 Takt für Mikrocontroller und UART; erlaubt ganzzahlige Divisionen zu üblichen Bitraten wie 9600 bps.
4,43361875 Frequenz des Farbträgers in der Farbfernsehnorm PAL.
10,245 Verwendet in älteren, analogen UKW-Radios, um die Zwischenfrequenz von 10,7 MHz auf 455 kHz zu mischen
11,0592 Takt für Mikrocontroller und UART; erlaubt ganzzahlige Divisionen zu üblichen Bitraten wie 9600 
11,2896 Digitale Audiosysteme wie die Compact Disc (CD), welche mit einer Abtastrate von 44,1 kHz arbeiten.
12,0000 Verwendet bei USB-Geräten.
12,288 Digitale Audiosysteme wie Digital Audio Tape und Soundkarten, welche mit einer Abtastrate von 48kHz arbeiten.
25,000 Anwendung bei Fast Ethernet und dem Media Independent Interface (MII).
27,000 Haupttakt bei digitalen Videogeräten wie DVD-Spielern.
33,33 Üblicher externer Takt für Hauptprozessoren vor der PLL

Normung

Die Bedingungen für die Prüfungen und Messungen der elektrischen Parameter der Schwingquarze sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation sowie in den zugehörenden Rahmenspezifikationen:

  • DIN EN (IEC) 60122ff. Schwingquarze

Weitere Normen, die sich mit Bauelementen befassen, die direkt oder indirekt mit Schwingquarzen zusammen hängen, sind:

  • DIN EN (IEC) 60679ff. Oszillatoren
  • DIN EN (IEC) 60368ff. Quarzfilter
  • DIN EN (IEC) 60862ff. & 61019ff. SAW-Filter & Resonatoren
  • DIN EN (IEC) 61337ff. Dielektrische Resonatoren

Markt

Wegen des geringeren Preises und der kleineren Baugröße der Keramikresonatoren gegenüber den Schwingquarzen haben sich diese Resonatoren einen recht großen Marktanteil an den Frequenz gebenden Bauelementen erobert. Es kommt hinzu, dass gerade in Applikationen mit sehr großem Bedarf oft nicht die große Frequenzgenauigkeit der Schwingquarze benötigt wird. Es wird geschätzt, dass der weltweite Bedarf an Keramikresonatoren im Jahre 2010 den Wert von etwa 5 bis 6 Milliarden US$ beträgt, das ist etwa das dreifache des Marktes an Schwingquarzen (1,5 bis 1,8 Mrd US$) [30]

Einzelnachweise

  1. Der Schwingquarz, Valvo-GmbH Hamburg, April 1964
  2. Das Grosse Quarzkochbuch, Bernd Neubig & Wolfgang Briese, Feldkirchen: Franzis-Verlag, 1997, ISBN 3-7723-5853-5, [1]
  3. Das Grosse Quarzkochbuch, Bernd Neubig & Wolfgang Briese, Feldkirchen: Franzis-Verlag, 1997, ISBN 3-7723-5853-5, [2]
  4. Nicholson, Alexander M.. "Generating and transmitting electric currents". US Patent No. 2212845. Online patent database, US Patent and Trademark Office. [3], angemeldet April 10, 1918, erteilt August 27, 1940
  5. THE INFLUENCE OF AMATEUR RADIO ON THE DEVELOPMENT OF THE COMMERCIAL MARKET FOR QUARTZ PIEZOELECTRIC RESONATORS IN THE UNITED STATES [4]
  6. A History of the Quartz Crystal Industry in the USA, Virgil E. Bottom, from the Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium 1981.
  7. The Evolution of the Quartz Crystal Clock. IEEE Untrasonics, Ferroelectrics and Frequency control society [5]
  8. EDN, Crystal grinding: When electronics were REALLY hands-on, April 4, 2008, [6]
  9. Moderne Technologien bei Schwingquarzen und Quarzoszillatoren, Bernd Neubig, [7]
  10. AT cut, [8]
  11. Darstellung von Quarzschnitten [9]
  12. Crystals and oscillators, Jerry A. Lichter [10]
  13. Crystal Technology, 4timing.com [11]..
  14. Moderne Technologien bei Schwingquarzen und Quarzoszillatoren, Bernd Neubig, [12]
  15. Moderne Technologien bei Schwingquarzen und Quarzoszillatoren, Bernd Neubig, [13]
  16. Crystal and frequency control glossary, Icmfg.com. [14]
  17. Crystals and oscillators, Jerry A. Lichter [15]
  18. a b Cut angles for quartz crystal resonators - US Patent 4499395 Description. Patentstorm.us. Retrieved on 2010-02-08.
  19. OCXO Application Notes - OCXOs - Oven Controlled Crystal Oscillators. Ofc.com.
  20. CSD - May 1998 - Making it Crystal Clear: Crystal Oscillators in Communications. Commsdesign.com.
  21. uncirimag, [16]
  22. https://www.patentstorm.us/patents/4985687/description.html
  23. https://www.patentstorm.us/patents/4419600/description.html
  24. a b c d High sensitivity temperature sensor and sensor array - US Patent 5686779 Description. Patentstorm.us.
  25. Y Cut Crystal. Engineersedge.com (2009-08-25).
  26. UFFC|History. Ieee-uffc.org (1959-03-23).
  27. Glossary of terms used in the quartz oscillator-plate industry
  28. Moderne Technologien bei Schwingquarzen und Quarzoszillatoren, Bernd Neubig, [17]
  29. Martin Wucherer, Achim Krumrein, Quarze & Quarzoszillatoren [18]
  30. Unser Ziel ist es, den Quarz obsolet werden zu lassen, SiTime, Markt & Technik Nr. 27/2.7.2010 [19]