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Egal ob Medizintechnik, Telekommunikation oder Unterhaltungselektronik – in allen Branchen hat sich der Quarz als präziser Frequenzgeber etabliert. Unter Spannung gesetzt, schwingt die dünne Quarzscheibe in einem gleichmäßigen Takt und gibt damit den „Herzschlag“ der Anwendung vor. Soweit die Kurzform. Tatsächlich ist die Angelegenheit jedoch deutlich komplexer. Denn: Quarzscheibe ist nicht gleich Quarzscheibe.
Die sogenannten „Quarzblanks“ unterscheiden sich nicht nur in ihrer Dicke , sondern weisen auch im Hinblick auf Temperaturkoeffizient und Schwingverhalten Unterschiede auf. Ändert sich beispielsweise die Umgebungstemperatur, kann das negative Auswirkungen auf die Stabilität der vom Quarz erzeugten Frequenz haben. Vor allem Extremtemperaturen sorgen für eine höhere Abweichung von der gewünschten Frequenz.
Dickenscherschwinger
Darüber hinaus unterscheiden sich Quarze auch in ihrer Art zu schwingen. Der sogenannte „Längsschwinger“ dehnt sich entlang seiner Längsachse; ähnlich wie ein Gummiband, dass in die Länge gezogen wird. „Biegeschwinger“-Quarze hingegen schwingen vor allem in der Mitte des Blanks. Sie verhalten sich wie eine Bogensehne, die abwechselnd gespannt und entlastet wird. Die geläufigste Schwingungsform ist jedoch der „Dickenscherschwinger“. Wie in der Abbildung gezeigt, bewegen sich Ober- und Unterseite des Blanks gegensätzlich, während die Quarzscheibe gleichzeitig ihre Dicke verändert.
AT-Schnitt definiert Schwingform und Temperaturkoeffizient
Beide Faktoren, Temperaturkoeffizient und Schwingform des Quarzes, lassen sich im Produktionsprozess gezielt beeinflussen. Ausschlaggebend ist dabei der Schnittwinkel, in dem die Quarzscheibe aus dem Kristall herausgelöst wird. Tatsächlich werden Quarzkristalle nicht „einfach so“ zersägt und in Blanks zerlegt. Ihr Zuschnitt erfolgt stattdessen auf Grundlage mathematischer Berechnungen.
Einer der geläufigsten Winkelschnitte ist der AT-Schnitt, der auch bei der Fertigung sämtlicher Jauch-Quarze zum Einsatz kommt. Dieser Schnitt erfolgt bei 35 Grad gegenüber der Z-Achse des Quarzkristalls und ist einer der am häufigsten gewählten Schnittwinkel. Und das nicht ohne Grund: Schließlich weisen derart gefertigte Quarzblanks einen guten Temperaturkoeffizienten auf. Im Temperaturbereich zwischen minus 40 und 85 Grad Celsius können mithilfe von AT-Quarzblanks präzise Frequenzen erzeugt werden. Die Genauigkeit reicht von +/- 15 ppm (= parts per million) beim Einsatz in einer normalen Oszillatorschaltung bis hin zu +/-0,5 ppm bei Verwendung der AT-Quarzblanks in einem temperaturkompensierten Oszillator (TCXO).
Die Kissenform des Quarzes
Alle mit dem AT-Schnitt gefertigten Quarze sind Dickenscherschwinger – ein großer Vorteil für die weitere Verarbeitung. Quarze sind passive Bauteile, ohne externe Spannung sind sie vollkommen nutzlos. Also müssen feine Elektroden am Quarz angebracht werden, die ihn unter Spannung setzen und zum Schwingen bringen.
Die Befestigung dieser Elektroden erweist sich jedoch je nach Schwingform als große Herausforderung. Idealerweise werden die Elektroden nämlich an einem Punkt des Quarzes angebracht, wo dieser sich auch unter Spannung nur minimal verformt. Dies ist bei einem Dickenscherschwinger deutlich leichter als beispielsweise bei den eingangs erwähnten Biege- oder Längsschwingern.
Nichts desto trotz ist auch in diesem Fall ein weiterer Bearbeitungsschritt des Quarzes notwendig. In einer speziellen Läpp-Maschine werden die Blanks so lange geschliffen, bis sie die Form eines Kissens annehmen – in der Mitte etwas dicker, nach außen hin spitz zulaufend. An den verjüngten Enden wird die Halterung des Quarzes angebracht. Derart befestigt, werden auf dem dickeren Mittelstück des Blanks letztlich dünne Metallelektroden aufgedampft .
Der AT-Schnitt erfüllt in der Quarzproduktion somit eine doppelte Funktion. Er sorgt erstens für hohe Frequenzstabilität im Temperaturbereich von -40 bis 85 Grad Celsius und definiert zweitens die Schwingform des Blanks als Dickenscherschwinger.
