Da die Elektronikindustrie im Laufe der Jahre immer größere Mengen an Quarz verbrauchte, reichten bald die natürlichen Vorkommen nicht aus. Man entwickelte Verfahren zur synthetischen Herstellung. Heutzutage wird ausschließlich synthetischer Quarz verarbeitet, wobei die weltweite Produktion nach Informationen des Autors bei ca. 1500 t pro Jahr liegt.
Letzten Endes ist auch bei einem synthetisch gezüchteten Kristall die Zulieferung des Rohstoffes „Quarz" erforderlich. Hierfür genügt jedoch der im bergmännischen Verfahren gewonnene, unreine Kristallschrott des Bergkristalls.
Die Züchtung erfolgt unter hohem Druck und hoher Temperatur in einem Autoklaven. Die Gefäße entwickelten sich im Laufe der Jahre von Winzlingen im 2-m-Format zu solchen mit bis zu 10 m Länge und großen Wandstärken unten. Aufgrund des erforderlichen Druckes von 1700 bar, kommt hochwarmfester Stahl mit Stärken von bis zu 25 cm zum Einsatz.
Die im Autoklaven herrschenden Temperaturen liegen bei 350 ... 400° C, die eine eingebaute Heizung erzeugt. Als Ausgangsmaterial für Schwingquarze - der Bergkristall
Lösungsmittel für den Quarz findet Natronlauge Verwendung. Unter den genannten Druck- und Temperaturbedingungen löst sich der auf den Boden de: Autoklaven gekippte Quarzschrott auf. Saatkristalle zum Züchten
In einem mehrstöckigen Gestell, welches oben in der Lösung hängt, befinden sich so genannte Saatkristalle, an denen sich das in der Natronlauge gelöste Siliziumdioxid niederschlägt und auskristallisiert. Hierzu ist das Einhalten entsprechender Temperatur gradienten innerhalb des Autoklaven erforderlich. Nach etwa zehn bis zwölf Tagen ist der Vorgang beendet, und die Charge wird entladen. Große Autoklaven liefern 400 ... 500 kg.
Wie man sich leicht vorstellen kann, ist eine ungeheure Erfahrung auf diesem Sektor erforderlich, die man sich nur durch kontinuierliche Erprobung erarbeitet hat. Genaue Parameter, unter denen dieser Prozess abläuft, gehören zu den Geheimnissen der jeweiligen Firmen.
Eigenschaften des Quarzes Quarze zeichnen sich im Wesentlichen durch drei Eigenschaften aus, die sie zur Stabilisierung von Oszillatorfrequenzen interessant machen.
• Ein mit einem Quarz realisierter Schwingkreis weist eine extrem hohe Güte auf. Bei einem Schwingkreis kennen wir die Beziehung zwischen Bandbreite, Güte und Resonanzfrequenz gemäß der Formel
b = fr,/Q (1).
b beschreibt die Bandbreite am 3-dBPunkt und ist demnach umgekehrt proportional der Güte. Um einige Beispiele von Gütewerten zu nennen: Eine UKW Luftspule hat Q = 200, ein Topfkreis auf SHF mag Q = 2000 haben, ein Standardquarz jedoch weist schon Q = 200 000 auf, Spezialquarze reichen bis zu Q = 2000000.
Ein 10-MHz-Oszülator mit einer Schwingkreisgüte von 200 wird eine
Bandbreite von 50 kHz haben, d.h. das von ihm ausgehende HF-Signal weist eine Unsicherheit in derselben Größenordnung auf. Der gleiche Oszillator hätte mit einem Standardquarz lediglich ein b von 50 Hz. Dieses Beispiel zeigt, warum für hohe Frequenzstabilität eine hohe Güte notwendig ist.
Das hohe Q des Quarzschwingers rührt u.a. daher, dass das regelmäßige Kristallgitter kaum Fremdatome oder Fremdmoleküle enthält. Ferner darf die Struktur keine Risse, Fehlstellen oder sonstige Unregelmäßigkeiten enthalten. Man prüft daher das Quarzmaterial mittels InfrarotLicht und Durchleuchtung auf das Transmissionsverhalten bei bestimmten Wellenlängen. Eine zu hohe Absorption deutet auf Verunreinigungen hin. Das heutzutage gefertigte synthetische Quarzmaterial ist inzwischen gleich oder besser als der beste natürliche Bergkristall.
• Der Quarz ist mechanisch hoch stabil und hat ein gutes Verhalten bei wechselnden Umgebungstemperaturen. Eine hohe Güte nützt noch gar nichts, wenn nicht eine entsprechende Temperaturstabilität hinzukommt. Quarzkristalle ähneln Glas, was an sich recht temperaturstabil ist. So ist es beispielsweise der Firma Schott gelungen, mit der Glasmischung „Zerodur" ein Material mit Null Wärmeausdehnung zu schaffen.
Abhängig vom Schnittwinkel, in denen die Plättchen aus dem Kristallblock tierausgesägt werden, ist es möglich, verschiedene Arten von Temperaturverhalten zu realisieren. Man spricht z.B. vom AT-, DT , NT Schnitt usw.
• Quarzkristalle sind vergleichsweise preiswert. Ein wesentlicher Punkt in jeder Massenproduktion ist die preiswerte Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien. 1994 betrug der Preis für ein Kilogramm synthetischen Quarz umgerechnet 60 €. Verarbeitet, d.h. geschnitten und roh vorgeschliffen, berechnete man 300 €. Dies ist nicht sonderlich teuer, zumal sich aus einem Kilogramm tausende Einzelquarze herstellen lassen.
Schwingungsmodi im Detail Die Resonanzfrequenz eines Quarzresonators bestimmt sich - wie bei allen mechanischen Schwingungsgebilden - durch die geometrischen Abmessungen. Kleinere und dünnere erzeugen höhere Frequenzen als größere und dickere. Nach unten hin bildet die Größe des umschließenden Gehäuses eine Grenze, nach oben ist dies die Dicke, oder besser ausgedrückt, die „Dünne", die man aufgrund der Gefahr des Zerbrechens nicht unterschreiten sollte.
Von tiefen nach hohen Frequenzen hin aufsteigend, wendet man die Schwingungsformen Biegung (inkl. Stimmgabelform), Dehnung, Flächenscherung und Dickenscherschwingung an (Bild 2). Aufgrund des günstigen Temperaturverlaufs beim Dickenscherschwinger (ATSchnitt) kommt dieser heutzutage überwiegend im Bereich von 1...250 MHz sowohl bei Schwingquarzen als auch bei Quarzfiltern zur Anwendung.
Bei den Dickenscherschwingern bestimmt die Dicke des Quarzplättchens die Höhe der Resonanzfrequenz gemäß der Formel
f = 1660/d (2),
wobei d die Dicke in Millimetern und f in kHz angegeben wird. Wie sich jeder selbst ausrechnen kann, ergibt sich für einen Quarz auf 1660 kHz damit eine Dicke von 1 mm, bei 3320 kHz sind es 0,5 mm und bei 25 MHz nur noch 0,06 mm, das ist die Dicke eines Haares!

 

Grundton	1... 30 MHz
3. Oberton	20...75 MHz
5. Oberton	50...125 MHz
7. Oberton	70...175 MHz
9. Oberton	90 ... 250 MHz

Tabelle 1: Nutzbare Frequenzbereiche bei Grund- und Obertonquarzen
 
Bruchgefahr ab 25 MHz
Jenseits dieses Wertes ist wegen der Bruchgefahr ein wirtschaftliches Herstellen nicht mehr sinnvoll. Man nimmt dann Obertonquarze, d.h. man erregt den Kristall mit Hilfe der aufgebrachten Elektroden auf der drei- oder fünffachen Grundfrequenz (Tabelle 1). Eine Anregung im zweiten oder vierten Oberton ist hier nicht möglich, da in jedem Schwingungszustand die anregenden Elektroden verschiedene Polarität haben müssen, um eine Schwingung auszubilden.
Zur Herstellung der dünnen Kristallplättchen arbeitet man mit Diamantsägen. Ein wichtiger Parameter ist hierbei der Schnittwinkel gegenüber einer bestimmten Kristallachse (Bild 3). Nehmen wir zunächst als schlechtes Beispiel den NT-Schnitt, wie er bei Uhrenquarzen verwendet wird. Der Quarz weist daraufhin eine parabelförmige Temperaturcharakteristik auf (Bild 4). Wir definieren, dass der Quarz bei 20° C Zimmertemperatur seine Sollfrequenz aufweist. Nach tieferen und höheren Temperaturen hin sinkt die Frequenz des Oszillators. Es hat sich international so eingebürgert, dass man für die Frequenzabweichung den Begriff „ppm" benutzt („parts per million" )der 1 x 10-6). Bei 0° C und bei +40° C
sehen wir eine Abweichung von ca. -20 ppm, d.h. ein Oszillator auf 10 MHz hätte dort eine Minusablage von 200 Hz. Über einen größeren Temperaturbereich lassen sich mit diesem Quarz also keine gleichbleibenden Ergebnisse erzielen.
Aus diesem Grund wendet man fast ausschließlich den AT Schnitt an, seine Temperaturcharakteristik zeigt Bild 5. Beide wiedergegebenen Kurven haben den gleichen Maßstab, weshalb leicht zu ersehen ist, dass sich beim AT-Schnitt ein wesentlich flacherer Verlauf des Temperaturganges einstellt. Wenn wir Kurve C betrachten, so erkennen wir im Bereich von -50°...+90° C die geringe Abweichung von nicht mehr als 10 ppm.
Schnittwinkel einhalten
Ein Blick auf die dafür erforderlichen Schnittwinkel zeigt aber auch, der Schneidewinkel ist bis auf wenige Bogenminuten Winkelgrad einzuhalten.
Bei diesem Vorgang ist also höchste Präzision angesagt, und es sind röntgenkristallografische Methoden erforderlich, um das Kristallgitter entsprechend auszurichten.
Aus der Verlaufsform der Kurven ergibt sich die Notwendigkeit, bei Neubestellung eines zu fertigenden Quarzes den Temperaturbereich anzugeben. Letzterer sollte symmetrisch zum Umkehrpunkt liegen. Je größer der zu verkraftende Temperaturbereich ist, desto teurer ist der Quarz. Die Militärs haben beispielsweise für ihre „Spielsachen" den Bereich -55...+105° C gepachtet, das sind die niedrigsten sowie höchsten Temperaturen, die jemals in einem Gerät vorkommen dürfen. Sinnvolle Temperaturbereiche für uns sind: 0...+50° C, -10...+60° C, -20...+70° C, -30...+80° C.
Der nächste Teil beschäftigt sich mit dem elektrischen Verhalten des Quarzes. (wird fortgesetzt) CQ
 

Low Power Shottky