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22 Elektronik 21 2025 Quarze Oszillatoren Taktgeber Ursachen der Quarzalterung Alterungsprozesse in Quarzoszillato ren wirken sich direkt auf Zeitmessun gen aus denn sie verursachen im Laufe der Zeit eine allmähliche und irre versible Abweichung der Ausgangs frequenz des Oszillators Insbeson dere wenn es auf Strahlungstoleranz geringes Rauschen und Jitter sowie auf den Betrieb bei hohen Temperatu ren ankommt müssen schon während des Herstellungsprozesses Schadens begrenzungsmaßnahmen ergriffen werden um die Auswirkungen der Alterung zu minimieren Alterung bezeichnet die allmähliche Veränderung der Ausgangsfrequenz des Quarz oszillators im Laufe der Zeit Dieses Phänomen ist in erster Linie auf physikalische und chemische Verän derungen innerhalb des Quarzkris talls und seiner Umgebung zurückzu führen Diese Drift die entweder in Teilen pro Million ppm oder Teilen pro Milliarde ppb pro Jahr gemes sen wird kann bei Anwendungen die präzise und stabile Zeitreferen zen erfordern zu erheblichen Prob lemen führen Es gibt viele Ursachen für die Alterung von Schwingquarzen Zwei der mit Abstand wichtigsten sind Massenbelastung und mechanische Spannungsänderungen Massenbelastung bezieht sich auf subtile Veränderungen der Masse des Quarzelements aufgrund der Absorp tion oder Desorption von Verunrei nigungen auf der Kristalloberfläche Dadurch verändert sich die Masse des Kristalls und damit seine Resonanz frequenz Quarzkristalle werden in Reinräumen verarbeitet und in sehr sauberen Umgebungen verschlossen entweder im Vakuum oder in einer nicht reaktiven inerten Stickstoff-Helium-Atmosphäre Nichtsdesto trotz bleibt immer ein gewisser Anteil an unerwünschtem Material zurück Typischerweise handelt es sich hierbei um eine sehr geringe Menge Wasser dampf die jedoch zu massiven Belas tungsänderungen führen kann was wiederum eine Frequenzalterung zur Folge hat Mechnische Spannungsänderungen Auch wenn große Anstrengungen unternommen werden um die mecha nische Belastung des Kristalls zu minimieren bleibt immer eine gewisse mechanische Restspannung bestehen Insbesondere bei der Befestigung des Quarzelements an seinem Gehäuse und in der Oszillatorschaltung Diese Befestigungsstruktur besteht in der Regel aus einem sehr spannungsarmen Metallband das über ein sehr ausga sungsarmes Epoxidharz oder einen Klebstoff mit dem Quarz verbunden ist Dennoch werden im Lauf der Zeit durch die unweigerlich verbleibenden geringen Belastungen einige Verände rungen auftreten die den Quarzreso nator und seine Frequenz beeinflussen Zweitens kann es zu Veränderun gen der inneren Spannungen in den Metallelektroden des Kristalls und sogar im Quarz selbst kommen Während Massenbelastung und Span nungsänderungen die Hauptursachen für die Alterung von Quarzoszillato ren sind gibt es noch weitere Ursa chen darunter Ausgasung Diffu sionseffekte chemische Reaktionen Druckänderungen und die Alterung der Oszillatorschaltung insbesondere Änderungen der Lastreaktanz und des Ansteuerungspegels Wichtige Auswirkungen des Alterns auf Zeitmessungen ➔➔ Frequenzdrift Mit zunehmendem Alter des Oszillators kann dessen Frequenz ansteigen oder abfallen wodurch der Systemtakt etwas schneller oder langsamer als vorge sehen läuft Dies ist besonders prob lematisch in Systemen in denen sich Bild 1 Heutzutage wird bei Quarzkristallen am häufigsten der AT-Schnitt verwendet Der doppelt gedrehte SC-Schnitt trägt zusätzlich zur Stabilität und Alterungsbeständigkeit von OCXO-Oszillatoren bei Bilder Q-Tech