一、原子力显微镜通过机械探针“触摸”样品表面表征其形貌并记录力学性质。它的工作原理类似人类用手指触摸物品表面，当探针靠近样品表面时，探针与样品表面间会产生一个相互作用力，此作用力会导致悬臂发生偏折。
二、激光二极管产生的激光束通过透镜聚焦到悬臂背面，然后再反射到光电二极管上形成反馈。在扫描样品时，样品在载物台上缓慢移动，而微悬臂在反馈调节系统调节下将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，由检测器记录表面形貌和力学信息。
原子力显微镜工作原理：
1、利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。
2、由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
3、原子力显微镜，一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。
4、将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。
5、扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。
AFM 是在STM 基础上发展起来的，是通过测量样品表面分子(原子)与AFM 微悬臂探针之间的相互作用力，来观测样品表面的形貌。AFM 与STM 的主要区别是以1 个一端固定而另一端装在弹性微悬臂上的尖锐针尖代替隧道探针，以探测微悬臂受力产生的微小形变代替探测微小的隧道电流。其工作原理：将一个对极微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。
由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种作用力恒定，带有针尖的微悬臂将对应于原子间的作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 主要是由执行光栅扫描和z 定位的压电扫描器、反馈电子线路、光学反射系统、探针、防震系统以及计算机控制系统构成。压电陶瓷管(PZT)控制样品在x、y、z 方向的移动，当样品相对针尖沿着xy 方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖、样品之间的距离发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面，再反射位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限收到的激光强度差值，同微悬臂的形变量形成一定的比例关系。
反馈回路根据检测器信号与预置值的差值，不断调整针尖、样品之间的距离，并且保持针尖、样品之间的作用力不变，就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时，可以采用恒高模式进行扫描，即针尖、样品之间距离保持恒定。这时针尖、样品之间的作用力大小直接反映了表面的形貌图像。
目前现有三种基本操作模式，可区分为接触式（contact）、非接触式（non-contact）及轻敲式（tapping）三大类。接触式及非接触式易受外界其它因素，如水分子的吸引，而造成刮伤材料表面及分辨率差所引起之影像失真问题，使用上会有限制，尤其在生物及高分子软性材料上。
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