Diese Erläuterung beschreibt die kristallographischen Achsen eines synthetischen Quarzkristalls und die verschiedenen Schnittarten (AT-, BT- und SC-Schnitt), wie sie bei der Herstellung von Schwingquarzen verwendet werden.
1. Kristallstruktur von Quarz
Quarz (SiO₂) kristallisiert im trigonalen Kristallsystem. Die Struktur besteht aus einem Netzwerk aus SiO₄-Tetraedern, die spiralförmig entlang der Z-Achse (auch c-Achse genannt) angeordnet sind.
2. Kristallographische Achsen
Ein synthetischer Quarzkristall besitzt folgende Hauptachsen:
- a₁-, a₂-, a₃-Achsen (x-Achsen): In einer Ebene, 120° zueinander.
- Z-Achse (c-Achse): Entspricht der optischen Achse.
- Y-Achse: Elektrische Achse, senkrecht zur Z-Achse.
3. AT-Schnitt
Der AT-Schnitt ist ein geneigter Schnitt (ca. 35,25°) gegen die Z-Achse in der X-Z-Ebene. Er wird verwendet, um temperaturstabile Schwingquarze herzustellen. Die Schwingung erfolgt dabei in der Plattenebene (Planar Mode).
4. Weitere Quarz-Schnittarten
Ein Vergleich der wichtigsten Schnittarten:
Merkmal | AT-Schnitt | BT-Schnitt | SC-Schnitt |
Schnittwinkel | ~35,25° gegen Z | ~49° gegen Z | ~34° gegen Z, 22,5° gegen Y |
Temperaturverhalten | Sehr gut | Mittel | Exzellent |
Frequenzstabilität | Gut | Mittel | Sehr hoch |
Mechanische Stabilität | Hoch | Etwas geringer | Sehr hoch |
Anwendung | Standard-Schwingquarze | Uhren, günstig | Raumfahrt, Präzisionsgeräte |
5. Fazit
Die Wahl des Schnitts beeinflusst maßgeblich die Eigenschaften eines Quarzresonators. Während der AT-Schnitt weit verbreitet ist, bieten der BT- und insbesondere der SC-Schnitt spezialisierte Vorteile in Bezug auf Temperaturkompensation und mechanische Stabilität.
Abbildung 1: Kristallographische Achsen und AT-Schnitt
Abbildung 2: Vergleich von AT-, BT- und SC-Schnitt
6. Verwendung – welcher Quarzschnitt wird wo verwendet?
AT-Cut
Der AT-Cut ist der am weitesten verbreitete Kristallschnitt bei Schwingquarzen und wird zur Fertigung all unserer LRT-Schwingquarze (LOW ESR Resonator Technology) verwendet. AT-Cut-Quarze zeichnen sich durch eine gute Temperaturstabilität, geringe Frequenzdrift und ein breites Einsatzspektrum aus. AT-Schnittquarze lassen sich sehr gut miniaturisieren und eignen sich ideal für Schwingquarze im Bereich von 3.2 – 285 MHz.
Die Frequenztoleranz bei +25°C beträgt bei unseren AT-Cut-Schwingquarzen ±10 ppm bei +25°C. Die Alterung liegt im Bereich von ±10 ppm nach 10 Jahren. Über den Temperaturbereich von -20/+70°C beträgt die engstmögliche Temperaturstabilität ±10 ppm, über -40/+85°C ±15 ppm, über -40/+105°C = ±30 ppm, bzw. ±50 ppm über den Temperaturbereich von -40/+125°C.
Damit erfüllt der AT-Schwingquarz alle Anforderungen, auch für sehr genaue Funkapplikationen (ISM-Band, WiFi, etc.).
BT-Cut
Der BT-Cut ist ein alter Schnittwinkel und wurde früher noch verwendet, als der AT-Schnittwinkel noch nicht so hoch entwickelt war. BT-Cut-Schwingquarze hatten größere Temperaturstabilitäten als wie AT-Schnitt-Quarze, konnten aber günstiger in verschiedensten Frequenzen gefertigt werden, als wie AT-Schnitt-Quarze. BT-Cut-Quarze werden heutzutage keine mehr gefertigt – wurden von den AT-Cut-Schwingquarzen komplett ersetzt.
SC-Cut
Der SC-Cut-Schnittwinkel (Stress Compensated Cut) ist ein doppelt rotierter Quarzschnitt, der eine ausgezeichnete Temperaturstabilität, sehr geringe Alterung und extrem hohe Langzeitstabilität bietet. Er wird insbesondere in Präzisionsoszillatoren wie OCXOs eingesetzt, bei denen kleinste Frequenzabweichungen kritisch sind (z. B. in Telekommunikation, 5G, GPS-Referenen, Messtechnik, etc.).
OCXOs sind Oven Controlled Crystal Oscillators, bei denen ein interner „Ofen“ genutzt wird, um den SC-Schnitt-Quarz konstant auf einer idealen Temperatur zu halten. Diese ideale Temperatur liegt im Bereich von 80 – 85°C wo der SC-Schnitt-Quarz auch seinen 0-Durchlauf hat. Eine weitere Besonderheit bei den SC-Cut-Schwingquarzen in OCXOs sind die Schwingmodi. Zum Beispiel werden in OCXOs SC-Quarzfrequenzen mit 5 oder 10 MHz nicht im Grundton realisiert, sondern im 5. Oberon. Warum? Es geht um das C1 oder auch dynamische Kapazität genannt. Ein Quarz im 5. Oberton hat ein viel kleineres C1 als wie ein Grundtonquarz, so dass der SC-Cut-Quarz im OCXO deshalb nochmals viel genauer schwingt.
FAQs
Was sind kristallographische Achsen bei Quarz und warum sind sie für Schwingquarze wichtig?
Quarz kristallisiert im trigonalen Kristallsystem und besitzt definierte kristallographische Achsen, die für seine elektrischen und mechanischen Eigenschaften entscheidend sind. Zu den Hauptachsen gehören die a₁-, a₂- und a₃-Achsen in einer Ebene mit jeweils 120° Abstand, die Z-Achse als optische Achse sowie die Y-Achse als elektrische Achse senkrecht zur Z-Achse. Diese Achsen dienen als Bezugssystem für die Ausrichtung des Quarzschnitts bei der Herstellung von Schwingquarzen. Bereits kleine Änderungen des Schnittwinkels beeinflussen Temperaturverhalten, Schwingungsart und Langzeitstabilität des Resonators. Deshalb sind die kristallographischen Achsen die Grundlage für die Auswahl geeigneter Quarzschnittarten wie AT-, BT- oder SC-Schnitt.
Was ist der Unterschied zwischen AT-, BT- und SC-Schnitt bei Quarzresonatoren?
Der AT-Schnitt ist ein geneigter Schnitt gegen die Z-Achse in der X-Z-Ebene und wird vor allem für temperaturstabile Standard-Schwingquarze eingesetzt. Er ist heute der am weitesten verbreitete Kristallschnitt und bietet eine gute Kombination aus Temperaturstabilität, geringer Frequenzdrift und breitem Einsatzspektrum. Der BT-Schnitt ist ein älterer Schnittwinkel, der früher verwendet wurde, heute jedoch praktisch vollständig durch den AT-Schnitt ersetzt wurde. Der SC-Schnitt ist ein doppelt rotierter, stresskompensierter Quarzschnitt mit besonders hoher Temperaturstabilität, geringer Alterung und exzellenter Langzeitstabilität. Dadurch eignet sich der SC-Schnitt vor allem für hochpräzise Anwendungen wie OCXOs, Telekommunikation, 5G, GPS-Referenzen und Messtechnik.
Warum ist der AT-Cut der Standard bei modernen Schwingquarzen?
Der AT-Cut hat sich als Standard etabliert, weil er eine sehr gute Temperaturstabilität mit hoher Fertigungsreife und breiter Einsetzbarkeit verbindet. Er wird bei PETERMANN-TECHNIK für alle LRT-Schwingquarze verwendet und eignet sich ideal für Frequenzbereiche von 3.2 bis 285 MHz. AT-Schnittquarze lassen sich sehr gut miniaturisieren und sind deshalb auch für kompakte elektronische Baugruppen interessant. Die Frequenztoleranz beträgt bei +25°C ±10 ppm, und auch die Alterung ist mit ±10 ppm nach 10 Jahren sehr gering. Zusätzlich erfüllt der AT-Schwingquarz selbst anspruchsvolle Anforderungen in genauen Funkapplikationen wie ISM-Band oder WiFi.
Welche Temperaturstabilität erreichen AT-Cut-Schwingquarze in verschiedenen Temperaturbereichen?
AT-Cut-Schwingquarze bieten je nach spezifiziertem Temperaturbereich unterschiedliche Stabilitätswerte und sind damit für viele industrielle Anwendungen geeignet. Über den Bereich von -20 bis +70°C ist eine engstmögliche Temperaturstabilität von ±10 ppm erreichbar. Für den erweiterten Bereich von -40 bis +85°C liegt die Stabilität bei ±15 ppm. Bei noch höheren Anforderungen an den Einsatzbereich sind ±30 ppm über -40 bis +105°C sowie ±50 ppm über -40 bis +125°C möglich. Diese Werte zeigen, dass der AT-Schnitt eine sehr ausgewogene Lösung für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Frequenzgenauigkeit und Temperaturverhalten darstellt.
Warum wird der SC-Cut in OCXOs und Präzisionsoszillatoren eingesetzt?
Der SC-Cut wird in Präzisionsoszillatoren eingesetzt, weil er eine ausgezeichnete Temperaturstabilität, sehr geringe Alterung und extrem hohe Langzeitstabilität bietet. In OCXOs wird der Quarz durch einen internen Ofen konstant auf einer idealen Temperatur von etwa 80 bis 85°C gehalten, wo der SC-Schnitt seinen 0-Durchlauf hat. Dadurch lassen sich kleinste Frequenzabweichungen besonders wirksam minimieren. Hinzu kommt, dass SC-Cut-Quarze in OCXOs bei 5 oder 10 MHz häufig nicht im Grundton, sondern im 5. Oberton betrieben werden. Das kleinere dynamische C1 im Obertonbetrieb trägt dazu bei, dass der Quarz nochmals präziser schwingt.
Warum PETERMANN-TECHNIK Quarzschnittarten und kristallographische Achsen?
PETERMANN-TECHNIK ist die richtige Wahl, wenn es um fundiertes Know-how zu Quarzschnittarten und deren Einfluss auf die Performance von Schwingquarzen geht. Das Unternehmen verbindet technisches Verständnis für kristallographische Achsen, Schnittwinkel und Schwingmodi mit praxisnaher Beratung für industrielle Anwendungen. Besonders beim weit verbreiteten AT-Cut verfügt PETERMANN-TECHNIK über klare Spezifikationen zu Frequenzbereich, Temperaturstabilität, Toleranz und Alterung. Auch bei anspruchsvollen Themen wie SC-Cut-Quarzen für OCXOs und Präzisionsanwendungen steht anwendungsgerechtes Expertenwissen zur Verfügung. Kunden profitieren damit von technischer Sicherheit, branchengerechter Beratung und Lösungen, die exakt auf Frequenzstabilität und Einsatzumgebung abgestimmt sind.
