它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監控其運動的反饋回路、使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機控制的圖像采集、顯示及處理系統組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測，當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測量對樣品無特殊要求，不需要對樣品進行特殊處理，僅在大氣環境下就可測量固體表面、吸附體系等，得到三維表面粗造度等信息。
優點缺點
優點
原子力顯微鏡觀察到的圖像
相對于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優點。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害。第三，電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環境下都可以良好工作。這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。
缺點
和掃描電子顯微鏡(SEM）相比，AFM的缺點在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope）是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）之后發明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環境下對各種材料和樣品進行納米區域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究實驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡相比，由于能觀測非導電樣品，因此具有更為廣泛的適用性。當前在科學研究和工業界廣泛使用的掃描力顯微鏡（Scanning Force Microscope），其基礎就是原子力顯微鏡。
應用領域
隨著科學技術的發展，生命科學開始向定量科學方向發展。大部分實驗的研究重點已經變成生物大分子，特別是核酸和蛋白質的結構及其相關功能的關系。因為AFM的工作范圍很寬，可以在自然狀態（空氣或者液體）下對生物醫學樣品直接進行成像，分辨率也很高。因此，AFM已成為研究生物醫學樣品和生物大分子的重要工具之一。AFM應用主要包括三個方面：生物細胞的表面形態觀測；生物大分子的結構及其他性質的觀測研究；生物分子之間力譜曲線的觀測。
掃描隧道顯微鏡亦稱為"掃描穿隧式顯微鏡"、"隧道掃描顯微鏡"，是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器。它于1981年由格爾德·賓寧(G.Binnig)及海因里希·羅雷爾(H.Rohrer)在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發明，兩位發明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。
掃描隧道顯微鏡 scanning tunneling microscope 縮寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。
STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物化性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。
具體應用
掃描
STM工作時，探針將充分接近樣品產生一高度空間限制的電子束，因此在成像工作時，STM具有極高的空間分辯率，可以進行科學觀測。
探傷及修補
STM在對表面進行加工處理的過程中可實時對表面形貌進行成像，用來發現表面各種結構上的缺陷和損傷，并用表面淀積和刻蝕等方法建立或切斷連線，以消除缺陷，達到修補的目的，然后還可用STM進行成像以檢查修補結果的好壞。