Coftech / Quarze & Oszillatoren Taktgeber unserer digitalen Welt

Ohne sie wäre keine Kommunikation möglich, kein modernes Auto würde fahren und selbst eine stabile Energieversorgung wäre unmöglich. Die Rede ist von den allgegenwärtigen Schwingquarzen, den Taktgebern unserer digitalen Welt. Grund genug, sich deren Weiterentwicklung einmal näher anzusehen.

Schwingquarze sind, obwohl meist wenig beachtet, ein nicht zu vernachlässigender Bestandteil in vielen Anwendungen. Spielen Zeitabweichungen in der Größenordnung von wenigen ppm oder kleiner über längere Zeit eine Rolle, sind sie als Taktgeber gefragt. Heutzutage nutzen fast alle Geräte Schwingquarze als Taktgeber, von der Quarzuhr bis hin zur Weltraumanwendung. Keine Kommunikation wäre möglich, kein modernes Auto würde fahren und selbst eine stabile Energieversorgung wäre unmöglich.

Obwohl dieses Bauelement schon in die Jahre gekommen ist – die ersten wurden schon vor einhundert Jahren technisch verwendet –, ist seine Entwicklung nicht stehen geblieben. Die Baugrößen haben sich von den Metallbauformen der HC- und TO-Reihen auf Baugrößen von 1,0 mm × 1,2 mm in Keramikgehäusen verkleinert und an einer weiteren Miniaturisierung wird gearbeitet. Konnte man in den Metallbauformen Quarze noch für beliebige Frequenzen in kleinen Stückzahlen fertigen, ist das bei den keramischen Gehäusen nicht mehr in dieser Weise möglich. Bedingt durch die veränderten Fertigungsmethoden und den stetigen Preisdruck sind die Losgrößen auf 500 bis 10.000 Stück gestiegen. Metallgehäuse der HC- oder TO-Bauformen werden nur noch für Präzisionsquarze verwendet. Für normale Applikationen werden diese Bauformen bald nicht mehr verfügbar sein.

Alle, die Schwingquarze nutzen wollen, sollten sich frühzeitig mit kompetenten Fachleuten beraten, die direkten Kontakt zu den Herstellern haben. Dadurch lassen sich Anwendung und Schwingquarz besser aufeinander abstimmen. Die Spezifikation wird detaillierter ausgearbeitet und es werden spätere Probleme vermieden. Durch den ständigen Preisdruck sind die Hersteller gezwungen, jede Lücke in der Spezifikation zu nutzen, um Kosten zu senken. Zudem liegen die meisten Fertigungen mittlerweile in Länder mit geringen Lohnkosten. In Europa werden nur noch wenige Spezialquarze gefertigt.

Miniaturisierung bringt Herausforderung

Allerdings bringt die Reduzierung der Baugrößen auch einige Einschränkungen mit sich. Zum einen begrenzt dies den Frequenzbereich (Bild 1), zum anderen steigt beim Übergang von den Metall- auf die Keramikgehäuse der Entwicklungsaufwand stark an, verbunden mit immer kleineren Fertigungstoleranzen. Dadurch dass der Resonator nicht mehr rund, sondern rechteckig ist, macht er für jede Frequenz ein neues Design notwendig. Die Entwicklung eines neuen Designs und damit einer neuen Frequenz, wird erst ab Stückzahlen in mehrfacher Millionenhöhe wirtschaftlich. Mit der Verringerung der Baugrößen verändern sich aber auch die elektrischen Parameter. So steigt der Ersatzwiderstand R1 (Bild 2), sodass die Schwinggüte sinkt.

Diese Änderungen sind physikalisch bedingt und lassen sich nur in bestimmten Grenzen beeinflussen. Bedingt durch die Abmessungen sinkt bei kleinen Bauformen auch das Ziehverhalten. Die geringere Ziehbarkeit der kleinen Bauformen erfordert wesentlich kleinere Lastkapazitäten, um die gleiche Frequenzänderung zu erreichen (Bild 3). Die verwendeten Lastkapazitäten liegen heute in der Größenordnung von 4 pF bis 7 pF.

Bei geringen Frequenztoleranzen in der Anwendung ist außerdem die Masseanbindung des Gehäuses zu berücksichtigen. Bei nicht definierten Messbedingungen und kleinen Lastkapazitäten kann es zu erheblichen Frequenzabweichungen kommen, wenn der Hersteller und der Anwender die Messung durchführen. Die kleine Lastkapazität reduziert ebenfalls die Betriebsgüte und verschlechtert zudem das Phasenrauschen erheblich. Damit sind die kleinsten Bauformen nicht mehr für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit geeignet.

Allerdings sind die Miniaturbauformen wegen ihrer geringen Größe und des mechanischen Aufbau gut für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit sowie an Schock und Vibration geeignet, bei denen es nicht auf extreme Frequenzgenauigkeit, Ziehbarkeit und Phasenrauschen ankommt. Das trifft besonders auf Anwendungen mit extremen Platzanforderungen und geringen Datenübertragungsraten zu. Durch das Keramikgehäuse sind sogar Anwendungen in starken Magnetfeldern möglich, zum Beispiel direkt im MRT.

Einige weitere Einschränkungen sind aber zusätzlich zu beachten. Bedingt durch den Temperaturgang des Materials lassen sich über den Temperaturbereich nur bestimmte minimale Frequenzabweichungen realisieren. Die Anpassung erfolgt über den so genannten Schnittwinkel, die Orientierung des Schwingers im Kristall. Die minimal im Temperaturgang erreichbare Frequenzabweichung wird durch die bei den kleinen Bauformen verwendeten Oberflächenformen (Linsen) weiter eingeschränkt. Zusätzliche Bearbeitungsverfahren verändern die effektive Orientierung im Kristall. Toleranzen im Bereich von 15 Winkelsekunden sind schwieriger zur realisieren. Außerdem verschiebt sich der Symmetriepunkt (Inflection Point) der Temperaturkurve dabei von den idealen +25 °C zu höheren Temperaturen (siehe Tabelle).

Temperaturbereichminimaler Frequenzgang
–5 °C bis +50 °C±3 %
–10 °C bis +60 °C±5 %
–20 °C bis +70 °C±7,5 %
–30 °C bis +80 °C±15 %
–40 °C bis +90 °C±20 %
–55 °C bis +105 °C±30 %

 

Tabelle: minimaler Frequenzgang bezogen auf +25 °C.

Verlustleistung beachten 
 
Ein weiterer wenig beachteter Punkt ist die Verlustleistung am Schwingquarz. Waren es bei den Metallbauformen noch Leistungen von 100 µW und mehr, würde ein solcher Wert den Kristall in den kleinsten Bauformen bereits beschädigen. Denn das schwingende Volumen wird immer kleiner und das Kristallgitter muss die zugeführte Energie aufnehmen. Das führt zu starken mechanischen Verformungen, die zur Änderung der physikalischen Eigenschaften führen. Bei einem Uhrenpendel als Vergleich, würde man ein Anschlagen des Pendels am Gehäuse beobachten. Dadurch würde das Bauteil sehr schnell altern. Störresonanzen werden verstärkt angeregt und führen zu Verzerrungen des Temperaturgangs (Activity Dips). Auch Totalausfälle können auftreten. Ganz deutlich werden diese Effekte beim Aufzeichnen der Lastabhängigkeiten (Drive Level Dependency) von Serienresonanzfrequenz und R1. Für die kleinsten Bauformen sollte das Drive-Level nur noch im Bereich von 1 µW liegen (Bild 4).

Neue Entwicklungen wie MEMS, ebenfalls mechanische Schwinger, aber auf Siliziumbasis, bringen zurzeit noch keine erheblichen Vorteile. Sie werden wie Schwingquarze in einem separaten Gehäuse verwendet. Eine totale Integration in bestehende Chips ist noch nicht erfolgt. Außerdem muss die starke Temperaturabhängigkeit des Siliziumkristalls elektronisch digital kompensiert werden. Das führt im Temperaturgang zu Micro-Jumps der Frequenz, ähnlich wie sie bei digital kompensierten Quarzoszillatoren zu beobachten sind, nur in wesentlich mehr Stufen. Jeder dieser Micro-Jumps führt zu einem Phasensprung und somit zu Übertragungsfehlern.

Der Schwingquarz bleibt damit noch einige Zeit ein unverzichtbares Bauelement. Durch das komplexe Verhalten des Schwingquarzes und sein Verschwinden aus der allgemeinen Wahrnehmung wird die Gefahr von fehlerhaften Spezifikationen höher. Meist werden nur die alten Spezifikationen für Metallgehäuse kopiert und mit neuen Gehäusezeichnungen verbunden. Dabei werden aber nicht die veränderten Eigenschaften berücksichtigt. Umso wichtiger wird eine kompetente Beratung durch die Vertriebsfirmen, wie etwa Coftech.