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5-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Quarzoszillatoren – der Quarz bestimmt Das Herzstück vieler elektronischer Systeme ist heute ein Quarzoszillator. Der Einsatz von Quarzoszillatoren beruht im Wesentlichen darauf, dass die mechanische Resonanz eines piezoelektrischen Materials – zumeist eines Quarzkristalls – in der Oszillatorschaltung dazu genutzt wird, ein elektrisches Signal mit einer genauen und stabilen Frequenz zu erzeugen. Niels Hagen WDI AG www.wdi.ag Das so erzeugte Signal wird üblicherweise als Taktsignal bezeichnet. Seine Funktion ist es, den Betrieb der anderen elektronischen Bauteile in dem jeweiligen System zu synchronisieren. Grundkenntnisse über Quarze – welche als Basiskomponente die Funktion und Performanz eines Quarzoszillators ausschlaggebend definieren – sind daher ausgesprochen hilfreich. Dieser Beitrag konzentriert sich vor allem auf den Schwingquarz und dessen Produktion, der überhaupt erst den Aufbau einer modernen Oszillatorschaltung ermöglicht. Das Phänomen des piezoelektrischen Effekts, also der Fähigkeit eines Materials, infolge eines angewendeten Drucks eine Spannung zu erzeugen, wurde im Jahr 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Quarz zeigt wie einige andere Kristalle (u.a. Seignette-Salz, Turmalin) diesen piezoelektrischen Effekt. Hierunter versteht man die Erscheinung, dass unter mechanischem Druck oder Zug an den Oberflächen des Kristalls elektrische Ladungen entstehen (typische Anwendung ist z.B. der Zündmechanismus bei Gasfeuerzeugen). Dieser Effekt ist umkehrbar, d.h. dass sich ein Quarzkristall, beim Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Seiten, mechanisch Bild 1: Autoklav verformt (reziproker piezoelektrischer Effekt) und eine sehr schwach gedämpfte periodische Schwingung erzeugt. Das Kristallplättchen führt dann als ein in sich elastisches Gebilde mechanische Schwingungen mit seiner Eigenfrequenz aus. Bedingt durch diesen Piezoeffekt ist eine oszillierende Spannung an den Elektroden messbar. Etwa 30 Jahre später wurde in den Bell Laboratories der erste Oszillator aufgebaut, der sich diesen Effekt zunutze machte. Zu dieser Zeit wurden dafür natürlich vorkommende Kristalle verwendet. Dabei besaßen jedoch nur geringe Mengen die für den Einsatz in der Quarzindustrie erforderliche Qualität. Die immer populärer werdende Nutzung von Radiogeräten und die wachsende Anzahl von Rundfunksendern ließen in den 1920er- und 1930er-Jahren des letzten Jahrhunderts eine wirtschaftliche Nachfrage nach quarzbasierten Oszillatoren entstehen. Mit dem Beginn des digitalen Zeitalters in den 1950er- Jahren stieg die Nachfrage dann gewaltig an. Dank eines ebenfalls in den Bell Laboratories entwickelten kommerziellen Prozesses zur Herstellung synthetischer Quarzkristalle war es möglich, diesen Nachfrageboom zuverlässig zu decken. Moderner synthetischer Quarz wird bis heute künstlich in einem Autoklav gezüchtet, einem Druckbehälter, in dem unter hohen Temperaturen die Quarzkristalle („Seeds“) zu Quarzen heranwachsen. Mit die­ 28 hf-praxis 5/2017

Quarze und Oszillatoren Bild 2: Rohquarzbarren ser Methode kann die Reinheit des produzierten Quarzes kontrolliert werden, sodass der Einsatz in modernen Anwendungen möglich wird. Der auf diese Weise entstandene Quarzbarren (Bild 2) wird anschließend in Wafer geschnitten. Da die Temperaturstabilität des Quarzes durch den Schnittwinkel beeinflusst wird, ist eine präzise Schnittführung sehr wichtig. Mit Hilfe eines Röntgengeräts wird sichergestellt, dass der Schnitt den kristallografischen Achsen entspricht. Neunzig Prozent aller Quarze werden mit dem so genannten AT-Schnitt gefertigt. Dabei wird der Quarz in einem Winkel von 35° 15‘ zur Achse des ursprünglichen Barrens geschnitten. Zum Schneiden der Rohquarzbarren werden spezielle Mehrblattsägen verwendet. Diese Sägen können mit einem Laser- Refraktometer - in Verbindung mit einer Befestigungs- und Klebevorrichtung - ausgestattet sein. Damit lassen sich Quarzbarren mit gegeneinander ausgerichteten kristallografischen Winkeln zusammenkleben. Die Barren werden dann in Endprodukte mit Abweichungen von etwa 10 Winkelsekunden (ein 360stel Grad) geschnitten. Bild 3: Quarzschnitte Die Temperaturkurve von AT- Schnittquarzen entspricht in etwa y = x³. Dabei wirken sich Abweichungen des Schnittwinkels auf den Verlauf der Kurve und die Frequenzstabilität des Endprodukts aus. Wie bei jedem Produktionsprozess muss das Ergebnis der Quarzproduktion kontrolliert werden (Bild 5). Um Quarze zu df /f [ppm] -20 gewinnen, die hohen Anforderungen in Bezug auf die Winkelgenauigkeit entsprechen, müssen größere Mengen produziert werden, die dann in Gruppen sortiert werden können. Die restlichen Quarze werden dann für andere Anwendungen mit z.B. breiter gefassten Spezifikationen genutzt. Daher haben Quarzfabriken häufig eine ganze „Bibliothek“ von Quarzscheiben (sog. Blanks) vorrätig. Nach der Fertigung des Blanks (Bild 6) muss die Frequenz eingestellt werden, mit der der Quarz schwingen soll. Die Frequenz ist umgekehrt proportional zur Masse des Quarzes. Bei Dicke bei etwa 0,168 mm liegt. Bei jedem Verarbeitungsschritt können Absplitterungen, Risse, Kratzer oder Parallelitätsverlust auftreten, die zu Fehlfunktionen des Endprodukts führen und Störsignale oder unter bestimmten Umständen plötzliche Frequenzänderungen verursachen können. Im Zuge der Nachfrage nach immer höheren Frequenzen wird irgendwann der Punkt erreicht, an dem eine Verarbeitung der Blanks nicht mehr praktikabel ist, weil sie schlichtweg zu dünn sind. Typischerweise beträgt die höchste noch für die praktische Anwendung herstellbare Grundfrequenz etwa 40 MHz. Es gibt allerdings eine Reihe von Techniken, mit denen sich auch höhere Frequenzen erzeugen lassen. Zunächst einmal kann der Quarz mit einem Oberton seiner Grundfrequenz betrieben werden. Wie bei allen Schwingsystemen gibt es harmonische Schwingungen mit ungeraden Vielfachen des Grundmodus. Wird die Oszillatorschaltung durch einen geeigneten Filter ergänzt welcher die Grundfrequenz unterdrücken kann, so lässt sich ein Betriebsmodus mit höherer Frequenz erzeugen. Jedoch wird mit jedem weiteren Oberton-Modus die Stabilität geringer und damit die Schaltung anfälliger. Um aus einem niederfrequenten Quarz eine Hochfrequenzschaltung herzustellen, kann auch eine Multi­ 60 so / Cutting 40 -- / r---- ... 30 --..... / - ,, Angle [min] / 20 .._ -- t'- ....... 10 v -- -r-- ;:::::: s .. 0 V ...- i---- - - .... / V / / / .,,, V V -- ---t::---- .,,--- --- -10 /1 i.----:::: - ---- i.-- - / --4 --2 / - 35 - -- -- ° 15mins -+2 .--/ -+4 ,_. V V ,.... .... - -/ -+6 -+8 ..__ -30 V ' ---- / / :::::: ..._ _ V ...... -40 V / ..._ - -+10 -+12 r-,.... -so _ -60 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Temperature [ ° C ] Bild 4: Temperaturkurve eines AT-Schnittquarzes Blanks im AT-Schnitt beträgt die Schwingfrequenz der Teile etwa 1680 geteilt durch die Dicke in Millimeter. Ein 10-MHz-Quarz muss beispielsweise geschliffen, geläppt, geätzt und poliert werden, bis die -+14 hf-praxis 5/2017 29

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