Kristallographische Achsen und Quarzschnittarten

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:

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.

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.