Kleines Bauteil, große Wirkung: Was Schwingquarze in Handys und Co bewirken

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Mobiltelefon, Waschmaschine oder Funkuhr – viele dieser Geräte sind in den meisten deutschen Haushalten zu finden. Doch kaum jemand weiß genau, wie diese elektronischen Geräte funktionieren. Dass sich im Inneren eine Vielzahl technischer Komponenten befindet, ist bekannt – doch um welche Komponenten handelt es sich dabei genau? Was passiert, wenn bei der Waschmaschine ein Schalter gedrückt wird, wann weiß die Mikrowelle, dass sie einen Signalton abspielen soll, um auf das Programmende hinzuweisen?

Bei vielen dieser Vorgänge kommen sogenannte Schwingquarze zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen speziell geschliffenen Kristallzylinder, der zum Schutz gegen Umwelteinflüsse in einem Metallgehäuse untergebracht ist. Einen Schwingquarz finden Sie heute in fast jeder elektronischen Schaltung. Egal, ob im Handy, in der Mikrowelle oder auch an Ihrem Computer – in nahezu jedem Gerät steckt ein Schwingquarz.

Dieser Ratgeber gibt Ihnen einen Einblick in den Aufbau und die Funktion eines Schwingquarzes. Zudem erfahren Sie, in welchen Geräten ein Schwingquarz zum Einsatz kommt.

Was ist ein Schwingquarz und welche Aufgaben übernimmt dieses Bauteil?

Neben etlichen anderen Komponenten befindet sich in vielen elektrischen Geräten auch der Schwingquarz. Bei diesem, häufig auch nur als Quarz bezeichneten Bauteil handelt es sich um ein elektronisches Bauelement, das in Quarzoszillatoren zum Einsatz kommt. Hier dient der Schwingquarz der Erzeugung von elektrischen Schwingungen mit einer ganz bestimmten Frequenz. Dabei basiert die Funktionsweise eines Schwingquarzes auf dem Prinzip der elektromechanischen Resonanz eines verbauten piezoelektrischen und mit Elektroden ausgestatteten Quarzkristalls.

Der Schwingquarz ist beidseitig mit Elektroden versehen. An diese wird ein von einem Oszillator erzeugtes Wechselfeld angelegt. Durch eine Rückkopplung wird dann die Frequenz dieses Wechselfeldes mit der mechanischen Eigenfrequenz des Quarzes in Übereinstimmung gebracht. Durch diese Übereinstimmung hat der Quarz die Wirkung eines elektrischen Resonanzkreises mit sehr hohem Gütefaktor. So können mit Oszillatoren, die mit Schwingquarzen arbeiten, besonders hohe Frequenzgenauigkeiten realisiert werden, die weit über den herkömmlichen Anforderungen der Industrie liegen.

Ein Schwingquarz kann sowohl in Serien- als auch in Parallelresonanz betrieben werden, da dies beiden Eigenfrequenzen sehr eng beieinanderliegen. Die Resonanzfrequenz kann dabei auch von einer äußeren Beschaltung beeinflusst werden, dazu kommt in der Regel ein Trimmer zum Einsatz. Zudem sind die Eigenfrequenzen des Schwingquarzes auch von der Temperatur abhängig. Der sogenannte Temperaturkoeffizient, also die relative Änderung des Schwingquarzes im Verhältnis zur Temperatur, lässt sich durch die Wahl des Quarzschnitts beeinflussen.

Wie ist ein Schwingquarz aufgebaut?

Wie der Name vermuten lässt, besteht der Schwingquarz aus Quarz. Ursprünglich wurde der Schwingquarz aus natürlich vorkommenden Quarzkristallen hergestellt. Da aber das natürliche Material aufgrund von Flüssigkeits- oder Materialeinschlüssen oftmals keine idealen Eigenschaften aufweist, werden Schwingquarze schon seit den 1950er-Jahren überwiegend synthetisch hergestellt. Dabei wird die natürliche Entstehung von Quarz in sogenannten vertikalen Autoklaven nachgestellt.

Der Autoklav ist im unteren Bereich mit einer Natriumhydrocid-Lösung gefüllt, in der sich feiner Naturquarz befindet. Bei einer Temperatur von ca. 400 Grad Celsius und einem Druck von 800 bar wird dieser unter Kieselsäurebildung aufgelöst. Durch Wärmekonvektion wird die Lösung in den oberen Teil des Autoklaven gedrückt und kristallisiert dort bei einer Temperatur von 400 Grad und einem Druck von bis zu 1.500 bar. Nach dem Abkühlen sinkt die Lösung wieder nach unten und nimmt dort erneut Kieselsäure auf. Der so entstehende Kreislauf führt zum Wachsen von Quarzkristallen. Bis zu 1 mm pro Tag an Wachstum sind möglich.

Die synthetische Herstellung von Quarz hat gegenüber der Verwendung von natürlichem Quarz einige Vorteile. Hierzu zählt beispielsweise, dass durch die Zusammensetzung des Grundmaterials genau bestimmt werden kann, welche Reinheit der fertige Kristall aufweisen soll. Diese entscheidet später über die Güte und die Frequenzstabilität des Schwingquarzes.

Die Herstellung des Schwingquarzes

Die eigentliche Fertigung des Schwingquarzes findet allerdings erst mit dem Herausschneiden eines Stückes aus dem Quarzkristall statt. Dabei wird ein kleines Plättchen, der sogenannte Wafer, mit einem bestimmten Schnittwinkel entfernt. Das Herausschneiden erfolgt mit Hilfe einer Kreis- oder Bandsäge. Dank der Verwendung neuester Technik kann der Schnittwinkel besonders präzise eingestellt werden.

Nach dem Herausschneiden des Wafers werden mehrere Plättchen zu einem Block zusammengefügt. Der so entstehende Waferblock wird an den Seitenflächen geschliffen und geläppt und anschließend in die gewünschte Größe des Quarzresonators gebracht.

Nun werden die entstandenen Resonatorplättchen mit einem Ätzverfahren auf eine geringere Dicke, als es die gewünschte Frequenz des Schwingquarzes erfordert, gebracht. Das ist deshalb nötig, weil durch die abschließend erfolgende Beschichtung des Blocks und das Aufbringen der Elektroden die Resonanzfrequenz im Nachhinein beeinflusst werden könnte.

Quarzkristalle treten als Rechts- oder Linksquarz auf. Dabei sind die beiden Arten spiegelbildlich gleich und im Querschnitt sechseckig. Die drei senkrecht aufeinander stehenden Achsen sind, wie in der Kristallografie üblich, mit x, y und z definiert. Die optische Achse, die z-Achse, verläuft dabei durch die Spitze des Kristalls, während die y-Achse die beiden sich gegenüberliegenden Seitenflächen miteinander verbindet. Rechtwinklig zur y-Achse befindet sich die x-Achse, die auch als elektrische Achse bezeichnet wird, da bei einer mechanischen Belastung des Schwingquarzes die elektrische Ladung in diese Richtung auftritt.

Aus einem Quarzkristall wie oben beschrieben wird erst dann ein Schwingquarz, wenn aus diesem Kristall eine Scheibe oder ein quaderförmiges Plättchen geschnitten wird, das einem präzise definierten Schnitt entspricht.

Durch die mechanische Deformierung dieser Scheibe oder dieses Plättchens werden elektrische Ladungen auf der Oberfläche erzeugt, die als Piezoelektrizität bezeichnet werden. Dieser Effekt ist auch umkehrbar, kann also durch ein elektrisches Feld erzeugt werden, das am Schwingquarz anliegt. Sobald das elektrische Feld am Schwingquarz anliegt, verformt sich dieses. Liegt das elektrische Feld nicht mehr an, so nimmt der Quarz wieder seine ursprüngliche Form an, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird. Nach dem Ausschalten der Spannung wird ein elektrisches Signal erzeugt, das mithilfe einer Rückkopplungsschaltung für die Erzeugung einer Resonanzschwingung genutzt werden kann. Da Quarz eine geringe Dämpfung und eine gute mechanische und dynamische Stabilität aufweist, entsteht durch diese Resonanzschwingungen ein stabiles Taktsignal mit einer sehr präzisen Frequenz und einer klar definierten Amplitude. Durch die Wahl eines bestimmten Quarzschnitts und der jeweiligen Schwingungsform lassen sich mit einem Schwingquarz ganz bestimmte Frequenzbereiche realisieren.

Die verschiedenen Schwingungsformen

Längenschwinger

Sogenannte Längenschwinger sind plattenförmige Resonatoren, die in Richtung der längeren Abmessung schwingen. Dabei wird die Längenänderung durch ein elektrisches Wechselfeld, das sich senkrecht zur Schwingrichtung befindet, erzeugt. Die auftretende Schwingung ähnelt der typischen akustischen Welle, die im Zentrum des Resonators erzeugt wird. Dabei entwickelt sich die Welle entlang der Längsrichtung des Resonators. An den Enden des Resonators findet dann eine Totalreflexion der Welle statt.

Biegeschwinger

In Biegeschwingern werden Biegeschwingungen erzeugt, indem Längenschwinger mit zwei gegenphasig angeschlossenen Elektroden ausgestattet werden. So entstehen zwei entgegengesetzte elektrische Felder in Richtung der x-Achse. Durch diese wird eine Biegung des Schwingquarz in z-Richtung erzeugt. Da bei Biegeschwingern die Frequenzkonstante von Länge, Breite und der Materialkonstanten abhängt, kann die Frequenz nicht einheitlich als Zahlenwert angegeben werden. Sowohl Längen- als auch Biegenschwinger werden zur Erzeugung besonders kleiner Frequenzen verwendet. Die mit diesen Schwingquarzen erreichten Frequenzen liegen unterhalb von 1 MHz.

Stimmgabelschwinger

Als Sonderform des Biegeschwingers gilt der Stimmgabelschwinger. Dabei ähnelt der Schwingquarz einem gebogenen Stab, der Biegeschwingungen ausführt. Die Frequenz von Stimmgabelschwingern hängt von der Zinkenlänge und der Breite des Quarzes ab. Einen Stimmgabelschwinger finden Sie zur Frequenzerzeugung häufig in Uhren.

Dickenscherschwinger

Bei den sogenannten Dickenscherschwingern werden die Schwingungen durch gegenläufige Verschiebungen der beiden größeren Oberflächenbereiche zueinander erzeugt. Der Schwingungsknoten befindet sich dabei innerhalb des Resonators. Durch das Verhältnis des Resonatordurchmessers zur Dicke des Schwingquarzes und zur Größe der Elektroden lässt sich die Schwingungsenergie auf die Resonatormitte konzentrieren. Dadurch wird am Resonatorumfang eine Halterung des Kristalls möglich.

Aufgrund ihrer Resonanzart sind Dickenscherschwinger besonders unempfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen. Daher kommen sie bei allen Schwingquarzen zum Einsatz, die eine Frequenz ab 1 MHz realisieren sollen.

Flächenscherschwinger

Neben den Dickenscherschwingern existieren auch Flächenscherschwinger. Bei dieser Ausführung finden gegenläufige Verschiebungen von je zwei Seitenflächenbereichen des Quarzes gegeneinander statt. Durch die Abmessungen der Kantenlängen der Resonatoren wird die Resonanzfrequenz bestimmt.

In welchen Geräten kommen Schwingquarze zum Einsatz?

Quarzstabilisierte Oszillatoren und damit auch Schwingquarze kommen immer dann zum Einsatz, wenn hinsichtlich der Grundgenauigkeit und Stabilität einer Frequenz besondere Anforderungen gelten. Daher finden Schwingquarze vor allem in der Elektro- und Nachrichtentechnik Verwendung. So lassen sich Schwingquarze in Sendeanlagen, Empfängern oder in Quarzuhren finden. Auch dann, wenn Sie im Besitz eines Desktop-PCs sind, dürfen Sie davon ausgehen, dass dort ein Schwingquarz verbaut ist; hier dient er als Taktgeber. Im Bereich der Mikrocontroller sind Schwingquarze ebenfalls zu finden, beispielsweise sorgen diese für den genauen Zeittakt in Uhren oder für ein genaues Timing an Schnittstellen. Besitzen Sie also ein Notebook oder ein Smartphone, das mit einem USB-Anschluss ausgestattet ist, so befindet sich in Ihrem Gerät auch irgendwo ein Schwingquarz. Schwingquarze, die für den Takt beim USB-Anschluss sorgen, verfügen über eine Frequenz von 12 MHz. Schwingquarze in Uhren arbeiten meist mit einer Frequenz von 32,768 kHz, da sich diese Frequenz besonders einfach bis zum Sekundentakt teilen lässt.

Sie sehen: Es handelt sich bei einem Schwingquarz um ein kleines, aber hochkomplexes Bauteil, das für die Funktionalität vieler Geräte des Alltags unerlässlich ist. Schwingquarze sind mittlerweile sogar ein beliebtes Sammlerstück, vor allem Quarze aus besonders alten Geräten erfreuen sich unter Sammlern einer großen Beliebtheit.

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