Für MHz-Schwingquarze wird die sogenannte "Grundschwingung" (Fundamentalschwingung) oder eine Oberwelle (meist die dritte oder fünfte Oberwelle) verwendet. Entscheidend ist dabei die mechanische Schwingungsform des Quarzkristalls, die auf der piezoelektrischen Wirkung von Quarz basiert. Im MHz-Bereich wird typischerweise die Grundschwingung (bei der PETERMANN-TECHNIK GmbH bis zu 285 MHz erhältlich) im Planar-Schubmodus (englisch: Thickness-Shear Mode) verwendet.
Was passiert dabei?
Der Quarzkristall wird so geschliffen und geschnitten (meist AT-Schnitt), dass er bei Anlegen einer Wechselspannung im MHz-Bereich in einem bestimmten Schubmodus schwingt. Der Quarz bewegt sich dabei nicht in Längsrichtung oder quer zur Oberfläche, sondern die Schwingung verläuft in der Ebene des Kristalls, also wie ein seitliches „Scheren“.
Die entstehende Bewegung erinnert an zwei Platten, die aufeinanderliegen und gegeneinander verschoben werden – das ist die "Scherungs"-Bewegung.
Funktionsweise im Detail
- AT-Schnitt:
- Der Quarzkristall wird in einem bestimmten Winkel zur Kristallachse geschnitten (etwa 35°15’ zur Z-Achse).
- Dieser spezielle Schnitt erzeugt die erwünschte Schwingform (Shear-Mode) und sorgt für Temperaturstabilität im MHz-Bereich.
- Anlegen einer Wechselspannung:
- Elektroden auf beiden Seiten des Quarzes erzeugen ein elektrisches Feld durch den Kristall.
- Wegen der piezoelektrischen Wirkung deformiert sich der Kristall mechanisch (er beginnt zu schwingen), sobald eine Spannung anliegt.
- Die mechanische Schwingung wiederum erzeugt eine elektrische Spannung – ein selbstverstärkender Effekt bei Resonanzfrequenz.
- Resonanz im MHz-Bereich:
- Die Dicke des Quarzes bestimmt die Resonanzfrequenz (bei z. B. 10 MHz liegt die Dicke bei ca. 0,33 mm).
- Die Grundschwingung ist dabei die niedrigste mögliche Eigenfrequenz, bei der der Quarz im Shear-Modus resoniert.
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Grund |
Erklärung |
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Gute Frequenzstabilität |
AT-Schnitt hat ein flaches Temperaturfrequenzverhalten bei Raumtemperatur bis etwa 70 °C. |
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Effiziente Energieübertragung |
Der Shear-Modus koppelt gut mit dem elektrischen Feld und verliert wenig Energie. |
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Geringe Dämpfung im MHz-Bereich |
Die Schwingung ist mechanisch stabil und hat eine hohe Güte (Q-Faktor). |
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Geringe Baugröße möglich |
Durch die Dicke-Frequenz-Beziehung lassen sich hohe Frequenzen mit dünnem Quarz realisieren. |
Manche Quarze im höheren MHz-Bereich (z. B. 30 MHz, 50 MHz) nutzen die 3. oder 5. Oberwelle des gleichen Schwingmodus. Sie schwingen also bei einem Vielfachen der Grundfrequenz.
Warum?
- Die Herstellung sehr dünner Quarze für hohe Grundfrequenzen wird mechanisch schwierig.
- Stattdessen nutzt man dickere Quarze auf einer höheren Oberwelle – einfacher zu fertigen, aber mit speziellen Schaltungen nötig.
Fazit
Im MHz-Bereich wird die Grundschwingung im Dickenscherungsschwingmodus verwendet, weil sie:
eine hohe Frequenzstabilität,
gute Güte (geringe Verluste),
Temperaturunempfindlichkeit,
und effiziente elektrische Kopplung bietet.
Diese Eigenschaften machen sie ideal für präzise Taktgeber, wie sie heutzutage von allen Applikationen im Elektronik-Bereich zum Einsatz kommt.
Eine Bemrkung in eigener Sache: Aufgrund unserer Grundtonresonatordesigns können wir Grundtonfrequenzen von bis zu 285 MHz liefern – siehe hierzu: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-konfigurator.html.
