扫描探针显微镜(SPM)是研究纳米科技的重要工具,在SPM家族中,以原子力显微镜(AFM)的应用最为广泛,它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体、绝缘体等多种材料进行观察,适应性很强。文中在研究原子力显微镜工作原理的基础上,开发基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统。文中完成的设计工作主要为以下几部分:原子力显微镜主体结构设计中,分别对基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的基座和测头设计做了详细介绍。在基座设计方面,阐述了系统的核心部件三维压电陶瓷扫描器的工作原理及构成;同时,分析设计了探针-样品逼近系统,此系统通过精密直流电机驱动螺旋测微头实现了纳米量级的步进。测头设计的重点是硅悬臂变形检测系统和激光光路调整机构。轻敲式探针励振单元部分,提出基于直接数字频率合成(DDS)的轻敲式探针励振方法,并设计了基于AD9833的轻敲式探针励振电路,最后分析了励振电路的输出频率特性和驱动能力。控制信号的检测、处理和采集部分中,根据系统信号的特点,设计并调试了四象限光电检测单元、信号处理电路单元和直流电压信号的采集单元。最后,对系统关键结构调试方法给出详细介绍,并对系统电路部分的噪声和系统频率响应进行了测试,分析和评定文中设计的系统达到的性能指标。本文设计开发了基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统,此系统的研制也为以后开展初级谐振探针和高阶谐振探针的扫描图像比对、检验高阶谐振探针扫描技术的优越性等研究工作建立了良好的平台。