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Grundton-Quarze mit höheren Frequenzen sind vor allem bei Wireless-Anwendungen im Bereich des Internet der Dinge sehr gefragt. Denn wenn Geräte miteinander kommunizieren und Daten austauschen, geschieht das immer öfter über Funk, beispielsweise via Bluetooth, ZigBee oder ISM. All diese Funkstandards nutzen Frequenzbänder im dreistelligen Megahertz- bzw. im Gigahertz-Bereich. Um diese RF-Frequenzen erzeugen zu können, benötigen die Geräte sehr präzise Referenzquarze mit Frequenzen im Bereich von etwa 20 bis hin zu 52 Megahertz.
Die Anforderungen im Wireless-Sektor: hauchdünn und hochpräzise
Quarze mit derart hoher Resonanzfrequenz müssen vor allem eins sein: dünn. Denn je dicker der Quarz ist, desto geringer ist seine Frequenz und desto weniger eignet er sich für den Einsatz im Wireless-Bereich.
Um ausreichend dünne Quarzscheiben herzustellen, ist eine ganze Reihe von Produktionsschritten notwendig. Der rohe Kristallblock wird nach und nach in immer kleinere Einheiten zerteilt. Kleinste Einheit sind letztendlich sogenannte „Blanks“. Das sind hauchdünne Quarzscheiben, die gesägt, geschliffen, geätzt und poliert werden, um die richtige Dicke und eine besonders glatte Oberfläche zu erzeugen. Um beispielsweise ein Quarzblank mit einer Resonanzfrequenz von 40 Megahertz herzustellen, muss die Quarzscheibe eine Dicke von nur 41,5 Mikrometer aufweisen.
Aufgrund ihrer Nennfrequenz von 40 Megahertz wäre diese Quarzscheibe bereits hervorragend für den Einsatz in Wireless-Anwendungen geeignet. Doch so einfach ist es nicht. Denn zusätzlich zu der recht hohen Nennfrequenz wird eine minimale Fehlertoleranz im ppm-Bereich (ppm = parts per million) benötigt. Eine derart hohe Präzision ist unbedingt notwendig, da gerade im Hochfrequenzbereich die Funkfrequenzen der einzelnen Kanäle sehr dicht beieinander liegen. Wer eine Überlappung der verschiedenen Funkfrequenzen vermeiden will, muss für geringste Frequenztoleranz der zugrundeliegenden Referenzfrequenz sorgen.
Hieraus ergibt sich eine besondere Herausforderung für die Quarzproduktion, die sich am Beispiel des 40 Megahertz-Quarzes illustrieren lässt. Die Quarzscheibe verfügt, wie oben erwähnt, im Ideal über eine Nenndicke von genau 41,5 Mikrometer. Bei einer angestrebten Fehlertoleranz von nur +/-10 ppm darf der tatsächliche Wert maximal +/- 0,415 Nanometer von diesem Idealwert abweichen. Das ist weniger als ein Millionstel Millimeter.
Allein durch mechanische Fertigungsschritte lässt sich eine solche Genauigkeit im Sub-Nanometerbereich nicht realisieren. Quarzhersteller reagieren auf dieses Problem, indem sie ihre Quarze – je nach Eigenschaften der Fertigungsanlage – von vornherein minimal zu dick oder zu dünn produzieren. Anschließend werden die Quarze einem Feintuning unterzogen und somit die gewünschte Nennfrequenz erreicht.
Das Feintuning: Nachbedampfen oder Ionen-Beschuss
Einer der letzten Bearbeitungsschritte bei der Quarzproduktion ist das Aufbringen einer Elektrode an beiden Seiten der Quarzscheibe. Diese Elektrode ist unbedingt notwendig, um die Schwingung des Blanks elektrisch anregen zu können. Gleichzeitig ist diese Elektrode auch der Ansatzpunkt für die folgenden beiden Verfahren zum Feintuning des Quarzes.
1. Nachbedampfung / Sputtern:
Um das Nachbedampfungsverfahren – auch „Sputtern“ genannt – anwenden zu können, wird die Quarzscheibe minimal zu dünn gefertigt, sodass auch nach dem Aufbringen der Elektrode die Resonanzfrequenz minimal zu hoch ist. Um dies zu korrigieren, wird die Elektrode des Quarzes mit Silber nachbedampft. Auf diesem Weg wird eine hauchdünne Silberschicht aufgetragen, die die Masse des Quarzes erhöht und seine Frequenz senkt. Während des Verfahrens wird die Frequenz der Quarzscheibe kontinuierlich gemessen. Ist die gewünschte Nennfrequenz erreicht, wird die Nachbedampfung sofort gestoppt.
2. Abgleich durch Ionen-Beschuss
Voraussetzung ist, dass die Quarzscheibe minimal zu dick gefertigt wurde, so dass auch nach dem Aufbringen der Elektrode die Resonanzfrequenz noch minimal zu niedrig ist. In diesem Fall wird die Masse der Elektrode durch den gezielten Beschuss mit Ionen ausreichend hoher Energie reduziert. Durch die Reduktion der Masse erhöht sich die Frequenz kontinuierlich. Genau wie beim Sputtern wird auch hier die Frequenz während des gesamten Verfahrens überwacht. Der Vorgang endet, sobald die gewünschte Nennfrequenz erreicht ist.
Jauch-Quarze für alle Wireless-Anwendungen
Dank dieser beiden Feintuning-Verfahren gelingt die Herstellung hauchdünner und hochpräziser Quarze für die verschiedensten Wireless-Anwendungen. Auf diese Art und Weise werden auch die Jauch-Modelle JXS 21 und JXS 22 produziert. Erhältlich im Frequenzbereich von 16 bis 52 Megahertz, einer Fehlertoleranz von nur +/-10 ppm und besonders hoher Frequenzstabilität sind diese Quarze speziell auf den Einsatz in Wireless-Geräten abgestimmt. Hier geht’s zu den Quarzen.
