Go4Space: Miniaturisierter Quarzoszillator unter Vakuum

Bauteile für Weltraumanwendungen müssen ihre Nennleistung zuverlässig über einen Zeitraum von bis zu 15 Jahren bei großen Temperaturschwankungen und nach den in der Startphase auftretenden Erschütterungen und Vibrationen liefern. Taktgeber wie Quarzoszillatoren sollen neben der Bereitstellung stabiler Frequenzreferenzen auch wenig Strom im kleinstmöglichen Gehäuse verbrauchen. Das sind hohe Anforderungen, die sich vor allem mit dem temperaturgesteuerten Quarzoszillator (Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO) erfüllen lassen. Der Miniatur-Quarzoszillator unter Vakuum (Evacuated Miniature Crystal Oscillator, EMXO) bietet dagegen die gleiche oder sogar eine bessere Leistung und Robustheit bei halber Größe, geringerem Stromverbrauch und weiteren Vorteilen.

Der in einem Quarzoszillator verwendete Quarzkristall scheint banal – tatsächlich handelt es sich aber um ein piezoelektrisches Präzisionsbauteil, das nach strengen Toleranzen gefertigt wird. Eingestellt auf die Schwingung einer bestimmten Frequenz, bietet er dank seines hohen Q-Werts ein hohes Maß an Stabilität. Allerdings reagieren Quarze sehr empfindlich auf kleinste Temperaturschwankungen, die zu einer Veränderung ihrer Frequenz führen. Diese Schwankungen sind bei manchen Anwendungen akzeptabel, bei vielen anderen jedoch nicht. Daher wurde der temperaturkompensierte Quarzoszillator (Temperature-Compensated Crystal Oscillator, TCXO) entwickelt, der dieses Problem mit einer zusätzlichen temperatursensitiven Reaktanzschaltung im Schwingkreis entschärft. Doch selbst damit kann das erreichte Maß an Verbesserung für anspruchsvollere Anwendungen noch nicht ausreichen.

Eine Stabilitätsverbesserung um mehr als das Zehnfache lässt sich erreichen, wenn der Kristall in einen kleinen Ofen eingesetzt wird, was einen OCXO realisiert. Allerdings benötigt das in einem typischen OCXO verwendete Heizelement relativ viel Strom, was das Bauteil größer und schwerer macht. In der Raumfahrt und bei anderen Anwendungen, bei denen es auf eine möglichst geringe Größe und ein niedriges Gewicht ankommt, kann dieser erhöhte Stromverbrauch problematisch sein.

Ziel der Entwicklung des EMXO war es, die gleiche Leistung wie ein OCXO in einem kleineren, leichteren und hermetisch versiegelten Gehäuse zu erzielen und zugleich den Stromverbrauch deutlich zu senken – ein Schlüsselfaktor für Anwendungen in der Raumfahrt. Ein gutes Beispiel für das aktuellste EMXO-Design ist der EX-219 von Microchip, dessen Leistungsmerkmale in Tabelle 1 zu sehen sind.

Die Entwicklung von EMXOs dauerte viele Jahre, die Ergebnisse waren aber die Mühe wert. Während ein OCXO zur Minimierung des Stromverbrauchs eine Isolierung mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet, nutzt ein EMXO Vakuum als Isolationsmethode. Dabei entsteht ein kontaminierungsfreies Vakuum von 1,33×10^-6 mbar (10^-6 Torr) und das Gewicht der Isolierung verringert sich praktisch auf Null. Es gibt keine Verunreinigungen durch Schweißspritzer, Staub oder Dämpfe, und dieses extrem hohe Vakuumniveau nimmt im Laufe der Zeit kaum ab. Die kontaminationsfreie Umgebung erleichtert auch den Einsatz eines offenliegenden Kristallrohlings anstelle eines größeren verpackten Typs, was sowohl die Größe als auch das Gewicht weiter senkt.

Weil die innere Masse eines EMXO kleiner ist als die eines typischen OCXO, muss der Ofen weniger Volumen aufheizen und verbraucht weniger Strom. Da der EMXO unter Vakuum steht und eine viel geringere thermische Masse hat als ein OCXO, ist seine Aufwärmzeit viel kürzer. Darüber hinaus ist der Quarzrohling in das Hybridgehäuse integriert. Dies ermöglicht eine Verkleinerung der Baugröße, so dass sich der EMXO in einem Gehäuse realisieren lässt, das weniger als halb so groß ist als das eines typischen OCXO.

Der EMXO-Schaltkreis besteht aus einem beheizten Substrat (Ofen) und einem Ausgabesubstrat. Ein stresskompensierter, doppelt gedrehter Kristall (SC/IT-cut) sorgt für ein gutes Phasenrauschen, eine langsamere Alterungsrate und eine geringere g-Empfindlichkeit. Der Kristall ist an vier Punkten befestigt, was Robustheit und geringe g-Empfindlichkeit gewährleistet. Für höhere Strahlungstoleranz kommt synthetisch geschliffener Quarz zum Einsatz. Die thermisch isolierte Struktur bietet eine nahezu konstante Temperatur über den gesamten Betriebstemperaturbereich. Das Ausgabesubstrat, das thermisch nicht so stark isoliert sein muss, ist direkt auf dem Gehäuse montiert (Bild 1).

Der EMXO hat viele Vorteile, so auch eine Leckrate von nur 1×10^-12 mbar·l/s (atm·cc/s, für Helium), die außerhalb des Bereichs der für die Messung vorgesehenen Geräte liegt. Das EMXO-Gehäuse wird mittels Kaltverschweißung versiegelt, die eine metallurgische Verbindung zwischen den Metalloberflächen ohne Zufuhr von Wärme während des Versiegelungsprozesses herstellt. Bei hermetisch verschlossenen Gehäusen können Leckagen jedoch ein großes Problem darstellen. Die staatlichen Raumfahrtbehörden verlangen, dass die verpackten Geräte die Leckageanforderungen erfüllen, die durch einen Fine-Leak-Tests ermittelt werden. Weil aber die Leckrate des EXMO geringer ist als das, was kommerzielle Instrumente messen können, lässt sich die Dichtheit eines EMXO nicht mit den Standardmethoden auf Heliumbasis prüfen, die in den militärischen Spezifikationen für elektronische Bauteile im Weltraum vorgeschrieben sind. Zwar spielt die Leckrate eines evakuierten Gehäuses im Weltraum keine Rolle, auf der Erde ist sie jedoch ein wichtiger Faktor.

Die Versiegelung von hermetischen Verpackungen erfolgt in der Regel durch Widerstandsschweißen oder Nahtschweißen und wird meist mit einer Mischung aus einem Edelgas und Helium als Prüfgas bei einem Druck von etwa 1013 mbar (1 atm) gefüllt. So lässt sich mit handelsüblichen Instrumenten, die eine Auflösung von 1×10^-8 mbar·l/s haben, eine Leckrate zwischen 1×10^-10 und 1×10^-9 mbar·l/s feststellen.

Heliumbeschuss ist eine gängige Technik zur Messung der Leckraten von Vakuumgehäusen wie dem EMXO. Bei diesem Test wird vor dem Test eine kleine Menge Helium in das versiegelte Gehäuse injiziert. Ein Nachteil des Beschussverfahrens ist jedoch, dass das Helium diffundieren und in das Metall und Glas des Gehäuses eindringen kann. Während des Fine-Leak-Erkennungsprozesses kann dieses Helium aus dem Metall oder Glas freigesetzt werden, was zu einer pessimistischen Leckrate führt. Dieser Prozess bezeichnet man als Desorption und er kann zu einer scheinbaren Leckrate von 1×10^-9 mbar·l/s führen.

Steuerung des Ofens und Stromverbrauch

Der EMXO-Ofen wird proportional gesteuert, so dass seine Leistungsaufnahme umgekehrt proportional zum Wärmewiderstand zwischen Ofen und Oszillatorgehäuse ist. Das heißt, der Ofen nimmt Strom auf, um eine nahezu konstante Temperatur zu halten, und während des Betriebs fließt die Wärme vom Ofen zum Gehäuse durch drei Wärmeübertragungsmechanismen: Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung. Wärmeleitung und Strahlung hängen von den Materialien und der Konstruktion des Gehäuses ab und haben, da sie lebenslang stabil bleiben, nur wenig Einfluss auf die Veränderung des Ofenstroms. Da die Geschwindigkeit des Wärmeflusses durch Konvektion im EMXO von Änderungen des Gehäuseinnendrucks beeinflusst wird, zieht ein undichtes Gerät mit höherem Innendruck zwangsläufig mehr Strom. So lassen sich sehr niedrige Leckraten mit einfachen Instrumenten erkennen, denn wenn das Vakuum infolge eines noch so kleinen Lecks abnimmt, steigt der Stromverbrauch erheblich.

Microchip nutzt das Verhältnis zwischen Stromverbrauch und Innendruck und hat ein sehr genaues Verfahren zur Bestimmung der Dichtungsintegrität eines EMXO-Gehäuses entwickelt, das eine Qualifizierung für Weltraumanwendungen ermöglicht. Zur Validierung dieses Verfahrens wurden Analysen am EX-209/245 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Dichtungsintegrität von Bauteilen anhand von Ofenstrommessungen mit einer Leckrate von 1×10^-6, 1×10^-7 und 1×10^-8 mbar·l/s Helium) innerhalb von Minuten, mehreren Stunden bzw. einigen Tagen nach der Versiegelung überprüfen lässt. Der EMXO behält seine Stabilität selbst dann bei, wenn der Packungsinnendruck auf bis zu 1,33 mbar (1 Torr) ansteigt, so dass es bis zu 70 Jahre dauern würde, bis der Packungsinnendruck des EMXO bei einer Leckrate von 1×10^-12 mbar·l/s (Helium) ein Niedrigvakuum von 0,133 mbar (0,1 Torr) erreicht (Bild 2). Wird eine Helium-Leckrate von 1×10^-11 mbar·l/s und einen Gehäuseinnendruck von 0,67 mbar (0,5 Torr) als konservative Sicherheitsreserve angenommen, so können die aktuellsten EMXOs eine Betriebsdauer von 15 Jahren erreichen. (na)