mini|Schwingquarz für eine Frequenz von 4 MHz Ein Schwingquarz, häufig vereinfachend abgekürzt als „Quarz“ bezeichnet, ist ein elektronisches Bauelement in Quarzoszillatoren, welches zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz dient. Seine Funktionsweise basiert dabei auf dem Prinzip der elektromechanischen Resonanz des verbauten piezoelektrischen und mit Elektroden versehenen Quarzkristalls.
Ein in der Funktion ähnliches elektronisches Bauelement – aber mit anderem Werkstoff – stellt der Keramikresonator dar.
Historisches mini|Steuerquarz einer Quarzuhr (1936) Erste systematische und wissenschaftlich dokumentierte Versuche mit elektromechanischen Resonanzschwingungen führte Alexander M. Nicholson 1918 mit natürlich gewachsenen Seignettesalzkristallen durch. Bereits ein Jahr später ersetzte Walter Guyton Cady den Seignettesalzkristall durch den effizienteren und auch heute noch gebräuchlichen Quarzkristall.
Die Bell Telephone Laboratories und andere Forschungseinrichtungen trieben ab 1923 die Entwicklung von praxistauglichen SchwingquarzenA History of the Quartz Crystal Industry in the USA. Virgil E. Bottom, from the Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium 1981. hauptsächlich zur Frequenzstabilisierung in der Funktechnik voran und bewarben deren Einsatz in diversen zeitgenössischen Publikationen.Die erste Veröffentlichung über den praktischen Aufbau von Quarzoszillatoren erschien 1924 in: H. S. Shaw: Oscillating Crystals. In: QST Magazine Vol. XI, Nr. 7, 1924 (vgl. online). Siehe auch
1928 entwickelte Warren Marrison, ein Mitarbeiter der Bell Telephone Laboratories, die erste quarzgesteuerte Uhr, die die Genauigkeit der Zeitmessung enorm erhöhte.Warren A. Marrison: The Evolution of the Quartz Crystal Clock. In: The Bell System Technical Journal. Vol. XXVII, 1948, S. 510–588 ().
Ab 1934 konnten weniger temperaturabhängige Schwingquarze zur Frequenzstabilisierung mithilfe verfeinerter Kristallbearbeitungsverfahren (sogenannte Schnitte) hergestellt werden. Die hohe Feuchte-Empfindlichkeit und damit einhergehende unerwünschte Schwankungen der Resonanzfrequenz ließen sich jedoch erst Anfang der 1950er Jahre durch die Verwendung geschlossener Metall- oder Glasgehäuse deutlich verringern.
Während des Zweiten Weltkrieges führte der vermehrte Einsatz von militärischer Funktechnik zu einer erhöhten Nachfrage nach Schwingquarzen, die durch natürliche Quarzkristalle allein nicht mehr gedeckt werden konnte und die Entwicklung von Verfahren zur Herstellung synthetischer Kristalle zur Folge hatte. Bereits 1948 erfolgte die Quarzsynthese in industriellem Maßstab. Weitere erwähnenswerte Verfeinerungen, insbesondere im Hinblick auf die Miniaturisierung der hergestellten Kristalle, wurden erst 1968 durch J. Staudte erzielt.
Ab den 1950er Jahren ist durch die Einbeziehung sogenannter Oberschwingungen des Kristalls der steuerbare Frequenzbereich und damit auch der Einsatzbereich der Schwingungsquarze stark erweitert worden. Seitdem konzentriert sich die Entwicklung auf eine Reduzierung von Störeinflüssen, d. h. auf die Erhöhung der Güte.
Allgemeines zum Aufbau und zur Funktion mini|hochkant=1.9|Schwingquarze in verschiedenen Bauformen,ganz rechts ein kompletter Quarzoszillator mit integriertem Schwingquarz
Der Quarzkristall wird beidseitig mit Elektroden versehen, an die ein von einem beliebigen Oszillator erzeugtes Wechselfeld angelegt wird. Durch Rückkopplung wird die Frequenz des Wechselfeldes mit der mechanischen Eigenfrequenz des Quarzkristalls in Übereinstimmung gebracht. Dadurch wirkt der Schwingquarz wie ein elektrischer Resonanzkreis mit sehr geringer Dämpfung (= sehr hohem Gütefaktor). Oszillatoren mit Schwingquarzen können, wenn sie entsprechend eingesetzt werden, Frequenzgenauigkeiten erreichen, die weit über die meisten Anforderungen der Industrie hinausgehen.
Der Schwingquarz führt im elektrischen Wechselfeld Deformationsschwingungen (Längs-, Dickenscher- oder Biegeschwingungen) aus, wenn die Frequenz des Wechselfeldes mit der Eigenfrequenz des Quarzplättchens übereinstimmt.
Ein Quarz kann in Serien- oder Parallelresonanz betrieben werden. Die beiden Eigenfrequenzen liegen sehr eng beieinander. Die Resonanzfrequenz lässt sich geringfügig auch durch die äußere Beschaltung beeinflussen. Häufig wird dazu ein Trimmer mit wenigen pF in Serie oder parallel zum Quarz geschaltet (abhängig davon, ob der Quarz in Serien- oder Parallelresonanz betrieben wird), um Herstellungstoleranzen ausgleichen zu können („Ziehen“ des Quarzes). Die elektrische Schaltung dieser speziellen Oszillatoren nennt sich Quarzoszillator.
Die Eigenfrequenzen des Quarzes sind in geringem Maße von der Temperatur abhängig. Der Temperaturkoeffizient lässt sich jedoch durch Wahl des Quarzschnitts (Geometrie in Bezug auf die Kristallachsen) beeinflussen, so dass er für die Verwendung als Zeitbasis sehr gering gehalten werden kann. Um Frequenzänderungen besonders gering zu halten, kann der Schwingquarz auch durch einen Quarzofen thermostatiert werden.
Grundlagen Eigenschaften des Quarzkristalls mini|hochkant=1.5|Darstellung je eines idealen Rechts- und Links-Quarzkristalls Das Basismaterial eines Schwingquarzes ist einkristalliner Quarz bzw. Siliziumdioxid (SiO2), das auch natürlicherweise als Bergkristall vorkommt. Die ersten Schwingquarze wurden tatsächlich aus Bergkristall gefertigt, während man heute künstliche Kristalle verwendet. Quarz kristallisiert im trigonalen Kristallsystem trigonal-trapezoedrisch (α-Modifikation) und tritt daher als „Rechts-“ oder als „Linksquarz“ auf.Der Schwingquarz. Valvo-GmbH Hamburg, April 1964.Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Das Grosse Quarzkochbuch. Franzis-Verlag, Feldkirchen 1997, ISBN 3-7723-5853-5. Kapitel 2 (PDF; 1,6 MB)QUARTZ CRYSTAL, THE TIMING MATERIAL, Fortiming Corporation
Die beiden Arten sind sich spiegelbildlich gleich. Der Querschnitt eines idealen Quarzkristalls ist sechseckig. Wie in der Kristallographie üblich, werden die drei 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. Die x-Achse ist die sogenannte elektrische Achse, weil bei mechanischer Belastung des Kristalls in dieser Richtung eine elektrische Ladung auftritt, d. h., es wird Piezoelektrizität beobachtet. Oberhalb von 573 °C werden Quarzkristalle hexagonal und sind frei von piezoelektrischen Effekten.
Aus dem Quarzkristall wird ein Schwingquarz, indem aus dem Kristall eine Scheibe oder ein quaderförmiges Plättchen in einer genau definierten kristallographischen Orientierung (Quarzschnitt) herausgeschnitten wird. Wird diese Scheibe oder das Plättchen mechanisch deformiert, so werden elektrische Ladungen auf seiner Oberfläche erzeugt. Dieser piezoelektrische Effekt ist umkehrbar, das heißt, wird ein elektrisches Feld an das Material gelegt, so verformt es sich (inverser Piezoeffekt). Sobald das elektrische Feld nicht mehr anliegt, nimmt das Material seine ursprüngliche Form wieder an. Eine dabei angeregte (gedämpfte mechanische) Schwingung resultiert in einer entsprechenden elektrischen Spannung. Mit dem Prinzip der Rückkopplung kann dieses Signal für die Aufrechterhaltung der mechanischen Resonanzschwingung des Materials genutzt werden. Durch die Aufhängung, saubere Oberflächen und geeignete Schwingungsmodi wird sehr geringe Dämpfung und außerordentlich hohe mechanische Stabilität und bei geeignetem Schnitt auch geringe Temperaturabhängigkeit erreicht. Solche Quarzoszillatoren liefern Taktsignale mit sehr stabiler Frequenz. Je nach jeweils erregtem mechanischem Schwingungsmodus und der Dimension des Plättchens überdecken Schwingquarze unterschiedliche Frequenzbereiche. Es können auch Oberwellen erregt werden.
Schwingungsformen
Ein aus einem Quarzkristall herausgeschnittenes Quarzplättchen führt im elektrischen Wechselfeld Deformationsschwingungen aus, wenn die Frequenz des Wechselfeldes mit der Eigenfrequenz des Quarzplättchens übereinstimmt. Die Resonanzfrequenz wird durch die Materialkonstanten und die mechanischen Abmessungen bestimmt. Die Deformationsschwingungen von Quarzresonatoren können in unterschiedlichen mechanischen Schwingungsformen auftreten.
Längen- und Biegeschwinger werden zur Erzeugung von kleineren Frequenzen unterhalb 1 MHz eingesetzt:
Längenschwinger, auch Dehnungsschwinger genannt, sind plattenförmige Resonatoren, die in Richtung ihrer längeren Abmessung schwingen. Die Längenänderung wird durch ein elektrisches Wechselfeld, das senkrecht zur Schwingrichtung anliegt, hervorgerufen. Die Schwingung ist eine stehende akustische Welle, die einen oder mehrere Schwingungsknoten zwischen den Enden hat. Die Resonatorlänge ist ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge.
Biegeschwingungen in den Biegeschwingern können angeregt werden, indem Längenschwinger mit zwei gegenphasig angeschlossenen Elektroden versehen werden, so dass zwei entgegengesetzte Felder in x-Richtung auftreten. Hierdurch wird eine Biegung in z-Richtung erzwungen. Die Frequenzkonstante der meist quadratischen Kristallstäbe von Biegeschwingern wird von den Materialkonstanten und der Länge l und der Breite b des Resonators bestimmt, sodass für Biegeschwinger kein einheitlicher Zahlenwert angegeben werden kann.
Eine Sonderform der Biegeschwinger sind die Stimmgabelschwinger (Stimmgabelquarz). Sie können mit dem Bild eines gebogenen Stabes erklärt werden, der Biegeschwingungen ausführt. Die Frequenz von Stimmgabelschwingern ist von der Zinkenlänge und Breite abhängig. Stimmgabelschwinger werden überwiegend zur Erzeugung von sehr geringen Frequenzen für Quarzuhren eingesetzt. Typisch hierfür sind 32,768 kHz (215 Hz), siehe auch Uhrenquarz.
Die Schwingungen in Dickenscherschwingern ergeben sich aus gegenläufigen Verschiebungen zweier größerer Oberflächenbereiche gegeneinander. Der oder – bei Oberwellenquarzen – die Schwingungsknoten befinden sich innerhalb des Resonators. Bei einem bestimmten Verhältnis des Resonatordurchmessers zur Dicke des Kristalls sowie zur Größe der Elektroden treten am Resonatorumfang keine mechanischen Schwingungen auf, die Halterung des Kristalls ist problemlos möglich und die eventuell nicht ideale Oberfläche liefert keine Beiträge zur Ungenauigkeit. Dickenscherungsschwinger sind aufgrund der Resonanzart daher besonders robust gegenüber äußeren Einflüssen. Sie werden in der Schnittform des AT-Schnittes am häufigsten in Schwingquarzen eingesetzt und kommen praktisch für alle Frequenzen ab 1 MHz aufwärts 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.
Die Resonanzschwingung in Flächenscherschwingern ergibt sich aus gegenläufigen Verschiebungen von je zwei Seitenflächenbereichen gegeneinander. Die Resonanzfrequenz der Flächenscherschwinger wird durch die Abmessungen der Kantenlängen der meist quadratischen oder rechteckigen Resonatoren und den richtungsabhängigen elastischen Werten des Kristalls bestimmt. Hieraus resultieren vom Kristallschnitt abhängige Frequenzkonstanten N mit bevorzugten Frequenzbereichen.
Kristallschnitte Die Eigenschaften von Schwingquarzen wie die thermische Stabilität der Resonanzfrequenz, die internen Verluste und die Ziehbarkeit (Trimmbarkeit durch externe Beschaltung) werden vom Schnittwinkel bestimmt, mit dem die Resonatorplättchen aus dem Quarzkristall herausgeschnitten werden. Durch den Schnittwinkel ist die Richtung der Kristallisation in einem Resonatorplättchen vorgegeben, womit die mechanischen Eigenschaften des Piezokristalls beeinflusst werden. Dies gilt auch für weitere Bauelemente wie z. B. Oberflächenwellenfilter (englisch , SAW), die mit Quarzkristallen als Basismaterial arbeiten.