Liten, ytmonterad med stabil frekvens. Så kännetecknas Quartz Pros ugnsstyrda kristalloscillator. Förhoppningen är att den skall bestämma takten i morgondagens basstationer.


Efter tio års utveckling av tillverkningsprocessen och drygt ett års produktutveckling finns den nu äntligen framme: Barkarbyföretaget Quartz Pros ugnsstyrda kristalloscillator, kallad x-act.

- Nu är vi redo att gå ut och bearbeta marknaden, säger Lars Möller, vd på företaget.

Till en början är det oscillatorer för basstationer och GPS-utrustning som företaget kommer att koncentrera sig på att ta fram. Den ingående precisionskristallen kan dock mycket väl fungera i mer udda tillämpningar, som exempelvis en sensorkristall.

Det är alltså volymproduktion som hägrar. Och man tänker vända sig direkt till de största företagen i framförallt Europa och USA, men också Japan.

Redan idag står faktiskt Ericsson, Nokia och Alcatel med flera på Quartz Pros kundlista, men än så länge är det enbart industrikristaller som levererats dit.

Att tillverka precisionskristaller ställer betydligt högre krav. Det blev Guy Portnoff, mannen bakom Quartz Pros kristalloscillator, varse då han på 80-talet forskade i orsakerna till åldring av kristaller. Efter fem år fick han ge upp eftersom det visade sig vara alldeles för många svårigheter att överbrygga i en oren tillverkningsmiljö.



Tjocklek på 1 nm när


Typiskt för kvarts är nämligen att materialet börjar svänga om en spänning läggs över det. Frekvensen beror i huvudsak på kristallens tjocklek. Vill man exempelvis justera frekvensen inom 10 ppm hos en 0,1 mm tjock kristall med frekvensen 16,5 MHz så krävs det att tjockleken blir rätt inom 1 nm. En liten förorening påverkar därför frekvensen direkt.

- Att försöka tvätta rent kristallen med vätska vid tillverkningen räcker inte, säger Guy Portnoff.

- Vi vill istället göra så rent att det absolut sista atomlagret av föroreningar är borta.

Lösningen var att bygga upp en miljö med extremt hög renhet. Idag sker tillverkningen i ultrahögvakuum där bastrycket är 10-9 mbar, med andra ord tolv tiopotenser lägre än atmosfärstrycket. Processen ger vakuumkapslade precisionskristaller med ett utfall (yield) på 90 procent. Det kan jämföras med konventionellt tillverkade kristaller som, enligt Guy Portnoff, har ett utfall på mellan 20 och 60 procent.

I anslutning till kristalltillverkningen byggs ugnsoscillatorn ihop. Den består av en precisionskristall, en ugn, en styrkrets för kristallen samt en styrkrets för ugnen. Alla delar har man utvecklat inom Quartz Pros väggar, även om elektronikkretsarna tillverkas på lego.

- Vi har lagt ner ett oerhört jobb på att designa ugnen och temperaturstyrningen av kristallen under senaste året. Metoden kan ge en temperaturstabilitet på 10- 11, säger Guy Portnoff.

Anledningen till att man gör oscillatorn ugnsstyrd är att temperaturen till kristallen måste hållas mycket stabil för att frekvensen inte skall driva iväg. Ugnstemperaturen sätts därför något högre än vad användaren satt som maxtemperatur för oscillatorn.

Varje oscillator skräddarsys efter kundens krav på långtids- och korttidsstabilitet. I basstationer och GPS-utrustning kräver man vanligen en temperaturstabilitet på 10-7 men tillverkningstekniken medger betydligt högre lång- och korttidsstabilitet, uppåt 10-10.

Ytterligare en mycket stor fördel med den nya oscillatorn är att frekvensen inte påverkas det minsta då kristallen värms upp vid ytmonteringen. Andra oscillatorer kräver en återhämtningstid som i värsta fall kan vara en månad.

Anna Wennberg



Tusen lika kristaller åt gången


Svenska Quartz Pro har utvecklat en tillverkningsprocess som ger kristaller med mycket hög långtids- och korttidsstabilitet. Processtekniken omfattas av ett gediget patent.

Råmaterialet till kristallerna köper Quartz Pro in som små skivor från olika leverantörer. Först slipas skivorna så att de liknar en liten lins - konvex på ena sidan och plan på den andra - som sedan poleras för att få en jämn yta.

Därefter rengörs de blivande kristallerna i renrum och två anslutningar, de som blir själva kristallkapselns ben, fästs på periferin.

Nästa steg är att föra in kristallerna, maximalt 1 000 åt gången, i produktionsutrustningen som består av fyra vakuumkammare anslutna till en kapslingsutrustning. Hela utrustningen står i ett renrummet av klass 1000.

I produktionsutrustningen sker allt automatiskt. En mängd processsteg tas för att rengöra kristallernas yta, varefter guldelektroder läggs på. Hela proceduren sker i ultrahögvakuum. Visserligen varierar trycket vid de olika processtegen men bastrycket ligger på 10-9 mbar.

När elektroderna läggs på ändrar kristallen frekvens. Genom att sputtra på elektroderna samtidigt som frekvensen mäts upp kan proceduren avslutas när frekvensen ligger exakt rätt. Tjockleken på elektroderna varierar mellan 50 och 150 nm och kan regleras på några få atomlager, alltså några tiondels nm.

Både kristallen och oscillatorn kapslas hermetiskt. Alla kristaller som tillverkas samtidigt blir exakt lika. Hela proceduren tar mellan ett halvt och två dygn, beroende på vilka krav som ställs på kristallerna.

AW



Tunn kvarts svänger snabbast


En kvartskristall svänger då en spänning läggs över den. Frekvensen beror på tjockleken som kan göras ner till 20 μm. På Quartz Pro gör man kristaller för arbetsområdet 3 MHz till 150 MHz och den tunnaste kristallen är runt 40 μm.

Kristallens långtidsstabilitet beskriver hur mycket frekvensen driver, medan korttidsstabiliteten är detsamma som dess fasbrus. Korttidsstabiliteten är proportionell mot kristallens Q-värde, vilket i sin tur är proportionellt mot kristallvolymen.

En kristall med hög grundfrekvens får alltså lägre Q-värde. Men eftersom en kristall kan svänga på både grundton och udda övertoner exciterar man den på högre övertoner för att få bättre korttidsstabilitet.

AW