Conception, fabrication et caractérisation de sondes oscillantes basées sur technologies MEMS pour application AFM

Design, fabrication and characterization of MEMS-based oscillating AFM probes

• Auteur / Autrice : Zhuang Xiong
• Direction : Lionel Buchaillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 13/02/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs piézoélectriques

Transducteurs piézoélectriques

Systèmes microélectromécaniques

Oscillateurs

Microscopie à force atomique

Mots clés libres

Sondes oscillantes

Excitation électrostatique

Excitation thermique

Résumé

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.