Eigenschaften von Schwingquarzen Siliziumoxid als Taktgeber

Bild 1. Die technisch nutzbaren Schwingungsformen eines niederfrequenten Quarzes.
Bild 1. Die technisch nutzbaren Schwingungsformen eines niederfrequenten Quarzes.

Schaltungsentwickler schwärmen von MEMS-Oszillatoren und deren Vorzügen, übersehen aber, dass in mindestens 90 Prozent aller Applikationen noch Schwingquarze und damit auch Quarzoszillatoren zum Einsatz kommen. Doch wer weiß noch, wie ein Schwingquarz funktioniert?

Bei vielen Elektronikschaltungen werden Oszillatoren hoher Frequenzkonstanz und Filter großer Flankensteilheit benötigt. Zur Realisierung derartiger Oszillatoren und Filter sind Kreise hoher Schwingungsgüte erforderlich. Die Eigenresonanz dieser Schwingkreise soll überdies möglichst unabhängig von der Temperatur sowie anderen Umwelteinflüssen sein und über eine lange Zeit unverändert bleiben.

Der Schwingquarz als elektromechanischer Resonator erfüllt all diese Bedingungen in hervorragendem Maße – siehe [1, 2]. Es wurden wiederholt Versuche unternommen, Quarz durch andere piezoelektrische Materialien zu ersetzen – insbesondere durch piezokeramische Werkstoffe, die einen stärkeren Piezo-Effekt haben.

Aber gerade durch die sehr lose Ankoppelung der elektrischen Schaltung an die mechanische Schwingung wird beim Quarz die geringe Rückwirkung äußerer Einflüsse auf die mechanische Eigenresonanz erzielt. Darüber hinaus hat sich Quarz gegenüber anderen Materialien durch das Zusammentreffen mehrerer günstiger Eigenschaften als überlegen erwiesen – zum Beispiel die geringe Dämpfung des kristallinen Materials, die außerordentlich gute mechanische und dynamische Stabilität und die geringe Temperaturabhängigkeit.

Durch die Anwendung geeigneter mechanischer Schwingungsformen und entsprechender kristallografischer Orientierungen (Quarzschnitte) können in einem weiten Frequenzbereich Quarzschwinger technisch realisiert werden. Mit diesen ergeben sich, bedingt durch die jeweils erregte Schwingungsform, für bestimmte Frequenzbereiche typische elektrische Werte der Schwingquarze.

Die bei Schwingquarzen angewendeten Schwingungsformen
Die Resonanzfrequenz der Quarzresonatoren ist – wie bei allen mechanischen Schwingern – bei vorgegebenen Materialkonstanten durch die mechanischen Abmessungen bestimmt. Diese Abmessungen sind in Richtung tiefer Frequenz durch die genormten Größen der Schwingquarz-Gehäuse begrenzt. Die obere Frequenzgrenze indes ist für die unterschiedlichen Schwingungsmoden jeweils durch eine vernünftige Herstellbarkeit der in den Abmessungen klein werdenden Resonatoren gegeben. Von tiefen zu hohen Frequenzen gehend, werden die Schwingungsformen „Biegung“, „Dehnung“, „Flächenscherung“ und „Dickenscherung“ angewandt (Bild 1).

Das Anwendungsspektrum der Schwingquarze hat sich, begünstigt durch die Möglichkeiten der integrierten Schaltungstechnik, deutlich in den Bereich der hochfrequenten Dickenscherungsschwinger verlagert. Niedere Frequenzen werden vorteilhafter durch Frequenzteilung hochfrequenter Quarzoszillatoren gewonnen. Die Schwingungsformen niederfrequenter Quarze werden dennoch kurz behandelt, um das Bild zu vervollständigen.

Das Quarzrohmaterial

Die mechanischen Resonatoren der Schwingquarze werden aus Quarz, der einkristallinen Variante des Siliziumdioxid SiO2, hergestellt. Nur die α-Modifikation von Quarz hat piezoelekrische Eigenschaften. Siliziumdioxid tritt in der Natur in mehreren Zustandsformen auf. Obwohl 14 % der Erdoberfläche aus SiO2 bestehen, kommt die einkristalline Zustandsform – Quarz oder auch Bergkristall genannt – nur sehr selten vor. Besonders selten sind vor allem große, von Verwachsungen und Verzwilligungen freie Kristalle, die zur wirtschaftlichen Produktion von Schwingquarzen benötigt werden.

Verwachsungen sind Nebenkristalle anderer Achsrichtung innerhalb des Hauptkristalls, Verzwilligungen wiederum sind Zonen mit verpoltem piezoelektrischem Effekt. Durch Erhitzen des Kristalls über die Umwandlungstemperatur von 573 °C wandelt der α-Quarz sich in die β-Modifikation. Beim Abkühlen kehrt der Quarz in die α-Modifikation zurück, jedoch nicht einheitlich in die gleiche „Händigkeit“. Das heißt, ein ehemals linksdrehender Quarz beinhaltet Teile mit einem rechtsdrehenden Sinn der Molekülspirale der Elementarzelle (Verzwilligung). Die Folge sind unterschiedliche Polaritäten des Piezoeffektes.

In der ersten Zeit der Schwingquarzfertigung wurden geeignete Quarzkristalle aus Madagaskar und Brasilien bezogen. Der wachsende Bedarf an einwandfreien Quarzkristallen wuchs schnell, sodass schon früh daran gedacht wurde, Quarzkristalle zu synthetisieren. Die geradezu groteske Rohquarzknappheit zwang 1942 zu fieberhaften Arbeiten an diesem Problem. 1964 begann die Großproduktion von synthetischen Quarzen. Heute werden Schwingquarze fast ausschließlich aus synthetischem Material gefertigt. Die erreichbare Schwingungsgüte Q eines speziell hergestellten Referenzquarzes „5 MHz im 5. Oberton“ ist größer als 3 × 106  – also vergleichbar mit der Schwingungsgüte von Naturquarz.