La plupart de sondes oscillantes pour microscope à force atomique (AFM) commerciale sont basées sur des micro- cantilevers qui peuvent donner la mesure avec une résolution pico-Newton. Toutefois, ces résonateurs de flexion souffrent de faible fréquence de résonance et de facteur de qualité lors de l'utilisation dans un liquide. En outre, la détection optique limite également l'intégration du système et la miniaturisation de la sonde. Par conséquent, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est de remplacer le cantilever standard de l’AFM par un microsystème résonant à haute fréquence, présentant un facteur de qualité élevé et dont l’actionnement comme la détection seront intégrés. Plusieurs structures oscillantes sont proposées comme les anneaux vibrant en mode elliptique, les plaques rectangulaires vibrant en mode extension et les «dog-bone » résonateurs vibrant en mode extension. Les méthodes d’excitation et de détection intégrés sont étudiées et comparées, par exemple: excitation électrostatique/détection piézo-résistif, excitation/détection piézo-électrique et excitation thermique/détection piezo-résistif. Le procédé de fabrication de ces nouvelles sondes AFM sont définies et effectuées et les caractéristiques électriques et mécaniques sont mesurées telles que la fréquence de résonance, le facteur de qualité et l'amplitude des vibrations. En général, ces sondes résonnent entre 1 et 5 MHz avec un facteur de qualité de plusieurs milliers dans l'air. Plusieurs sondes sont ensuite monté sur un microscope AFM commercial et une imagerie sur les échantillons PMMA sont obtenus. La résolution de force la plus élevée déduite est d'environ 10 pN/Hz0.5. / Most of commercial Atomic Force Microscope (AFM) oscillating probes are based on micrometric cantilevers which can make measurement with pico-Newton force resolution. However, these flexural vibrating cantilever resonators suffer from low quality factor when operating in liquids and the laser-based vibration sensing unit limits the integration and miniaturization. The major objective of this thesis is thus studying alternative MEMS-based AFM probe with high resonance frequency and quality factor as well as integrated driving and sensing transduction. Several in-plane oscillating structure is proposed such as flexural vibration ring resonators, extensional vibration rectangular plates and extensional vibration dog-bone resonators. Variety kinds of integrated driving and sensing methods are investigated and compared, for example: electrostatic excitation/piezoresistive detection, piezoelectric excitation/detection, and thermal excitation/piezo-resistive detection. The fabrication process of these new AFM probes are defined and carried out and both the electrical and mechanical properties are measured such as the resonance frequency, the quality factor and the vibration amplitude. In general, these probes resonate between 1 to 5 MHz with a quality factor of several thousands in air. Well-performing probes are then mounted onto a commercial AFM microscope and topographic images of patterned sample surfaces are obtained. The highest force resolution deduced from the measurement is about 10 pN/Hz0.5.

Le domaine des résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) est aujourd'hui le siège de diverses compétitions entre les producteurs afin d'améliorer les performances en terme de miniaturisation, intégrabilité, coûts de production etc. Ce travail de thèse s'inscrit dans un projet global de développement de résonateurs MEMS à ondes de volume compatibles avec la technologie des circuits intégrées. L'objectif est de valider le principe d'excitation des ondes acoustiques de volume en extension-compression par voie électrostatique dans des substrats monocristallins et aussi d'explorer les possibilités offertes par ces modes pour le confinement de l'énergie acoustique, technique plus largement exploitée dans le domaine des résonateurs à quartz que dans celui des MEMS. En ce sens, une nouvelle structure mono-port en silicium, fixée sur un support en verre, a été étudiée et modélisée analytiquement en vue de son implémentation dans une chaine de fabrication. Les modèles originaux développés dans ce cadre nous ont permis d'estimer les paramètres électriques du circuit équivalent, les déplacements mécaniques statique et dynamique propres au fonctionnement de la structure, autant en mode vibratoire d'extension-compression qu'en mode de flexion. Une étude théorique bidimensionnelle basée sur l'évaluation des courbes de dispersion d'une plaque en silicium a été menée afin d'évaluer les moyens de piégeage de l'énergie au centre de la structure fonctionnant en mode de volume. Tout en exploitant les microtechniques disponibles au sein de la Centrale MIMENTO de l'Institut FEMTO-ST, plusieurs séries de résonateurs ont été fabriquées sur substrat silicium pleine plaque. La fréquence fondamentale de vibration se situe aux alentours de 10 MHz pour le mode d'extension compression et de 70 kHz pour le mode de flexion. On détaille la caractérisation par voie mécanique et électrique. L'intégration des dispositifs fonctionnant en mode de flexion en boucle d'oscillation à l'aide d'un montage à base de point Wien est démontrée ainsi qu'une application de type capteur gravimétrique.