早期研制的為接觸式原子力顯微鏡，它包括恒力模式和恒高模式。前者利用反射光位移引起的光電二極管輸出電壓的變化構(gòu)成反饋回路控制壓電陶瓷管伸縮，從而調(diào)節(jié)固定于掃描器上樣品的位置，保持樣品和探針間作用力(懸臂彎曲度)不變，測量每一點高度的變化。后者保持樣品和探針間的距離不變，測量每一點作用力的大小。這種模式在調(diào)節(jié)探針與樣品距離前即可直接觀測懸臂彎曲度的改變。
除傳統(tǒng)的接觸式之外，1993年又研制出輕敲式原子力顯微鏡。該顯微鏡在掃描過程中探針與樣品表面輕輕接觸，懸臂受存在于兩者間的排斥力作用隨樣品表面起伏發(fā)生高頻振顫。由于探針與樣品的接觸短暫，因此它更適用于質(zhì)地脆或固定不牢的樣品。
掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監(jiān)控其運動的反饋回路、使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM原子力顯微鏡測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、吸附體系等。