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.
Schwingungsform im MHz-Bereich: Dickenscherungsschwinger (Planar-Schubmodus)
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.
Warum gerade diese Schwingungsform?
Grund | Erklärung |
Gute Frequenzstabilität | AT-Schnitt hat ein flaches Temperaturfrequenzverhalten bei Raumtemperatur bis etwa 70 °C. |
Effiziente Energieübertragung | Der Shear-Modus koppelt gut mit dem elektrischen Feld und verliert wenig Energie. |
Geringe Dämpfung im MHz-Bereich | Die Schwingung ist mechanisch stabil und hat eine hohe Güte (Q-Faktor). |
Geringe Baugröße möglich | Durch die Dicke-Frequenz-Beziehung lassen sich hohe Frequenzen mit dünnem Quarz realisieren. |
Alternativen: Oberwellenbetrieb
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.
FAQs
Welche Schwingungsform wird bei MHz-Schwingquarzen typischerweise verwendet?
Bei MHz-Schwingquarzen wird typischerweise die Grundschwingung oder bei höheren Frequenzen eine Oberwelle, meist die dritte oder fünfte, genutzt. Die maßgebliche mechanische Schwingungsform ist dabei der Planar-Schubmodus, auch Thickness-Shear Mode oder Dickenscherungsschwingmodus genannt. In diesem Modus schwingt der Quarzkristall nicht längs oder senkrecht zur Oberfläche, sondern in seiner Ebene wie bei einer seitlichen Scherbewegung. Diese Schwingungsform basiert auf der piezoelektrischen Wirkung von Quarz und eignet sich besonders gut für den MHz-Bereich. Sie bietet eine hohe Frequenzstabilität, geringe Verluste und eine effiziente elektrische Kopplung.
Warum ist der Thickness-Shear Mode für MHz-Quarze besonders geeignet?
Der Thickness-Shear Mode ist für MHz-Quarze besonders geeignet, weil er eine mechanisch stabile und verlustarme Schwingung ermöglicht. Durch die Scherbewegung innerhalb der Kristallebene wird eine hohe Güte beziehungsweise ein hoher Q-Faktor erreicht. Gleichzeitig koppelt dieser Modus sehr gut mit dem elektrischen Feld, das über die Elektroden am Quarz angelegt wird. Das verbessert die Energieübertragung und unterstützt ein sauberes Resonanzverhalten im MHz-Bereich. Deshalb ist diese Schwingungsform ideal für präzise Taktgeber in elektronischen Anwendungen.
Welche Rolle spielt der AT-Schnitt bei MHz-Schwingquarzen?
Der AT-Schnitt ist bei MHz-Schwingquarzen entscheidend, weil er die gewünschte Schwingungsform und das Temperaturverhalten des Quarzes maßgeblich bestimmt. Dabei wird der Quarzkristall in einem definierten Winkel von etwa 35°15’ zur Z-Achse geschnitten. Dieser spezielle Schnitt erzeugt den Shear-Mode und sorgt für ein flaches Temperaturfrequenzverhalten im Bereich von Raumtemperatur bis etwa 70 °C. Dadurch bleibt die Frequenz über typische Einsatztemperaturen hinweg besonders stabil. Für viele industrielle und elektronische Anwendungen ist der AT-Schnitt deshalb der bevorzugte Standard.
Wann werden bei MHz-Schwingquarzen Grundschwingung und wann Oberwellen eingesetzt?
Die Grundschwingung ist die niedrigste Eigenfrequenz, bei der der Quarz im Shear-Modus resoniert, und wird im MHz-Bereich sehr häufig verwendet. Bei steigenden Frequenzen wird die Herstellung extrem dünner Quarze jedoch mechanisch zunehmend anspruchsvoll. Deshalb kommen bei höheren MHz-Bereichen oft die dritte oder fünfte Oberwelle des gleichen Schwingmodus zum Einsatz. Der Quarz schwingt dann bei einem Vielfachen seiner Grundfrequenz, was die Fertigung dickerer und robusterer Resonatoren erleichtert. Für den Betrieb solcher Oberwellenquarze sind allerdings speziell ausgelegte Schaltungen erforderlich.
Wie beeinflusst die Dicke des Quarzkristalls die Resonanzfrequenz im MHz-Bereich?
Die Dicke des Quarzkristalls steht in direktem Zusammenhang mit seiner Resonanzfrequenz im MHz-Bereich. Je dünner der Quarz ausgeführt wird, desto höher liegt die erreichbare Grundfrequenz. Bei einer Frequenz von beispielsweise 10 MHz beträgt die Dicke des Quarzes etwa 0,33 mm. Diese Dicke-Frequenz-Beziehung ermöglicht kompakte Bauformen und hohe Frequenzen mit entsprechend dünnen Kristallen. Werden sehr hohe Grundfrequenzen benötigt, steigt jedoch der mechanische Fertigungsaufwand deutlich an, weshalb alternativ häufig Oberwellen genutzt werden.
Warum PETERMANN-TECHNIK Schwingungsformen für MHz Schwingquarze?
PETERMANN-TECHNIK ist für Schwingungsformen bei MHz-Schwingquarzen eine starke Wahl, weil das Unternehmen fundiertes Know-how in der Frequenztechnik mit praxisgerechten Lösungen verbindet. Auf Basis von Grundtonresonatordesigns sind dort Grundtonfrequenzen bis zu 285 MHz erhältlich, was ein außergewöhnlich breites Anwendungsspektrum eröffnet. Das Unternehmen fokussiert sich auf technisch präzise Auslegung von Quarzen im passenden Schwingmodus, insbesondere im bewährten Thickness-Shear Mode. Kunden profitieren von kompetenter Beratung durch Frequenz-Experten und einer klaren Ausrichtung auf stabile, verlustarme und temperaturgeeignete Lösungen. Damit ist PETERMANN-TECHNIK ein verlässlicher Partner für anspruchsvolle Taktgeber- und Frequenzanwendungen im Elektronikbereich.
