原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)作为一种重要的测量手段,可以实现器件表面纳米级分辨力的尺寸表征,在纳米加工、试样形貌检测和纳米计量等方面有广泛应用前景。本文以基于音叉探针的原子力显微镜系统为研究对象,进行以下几个方面的探讨:理论研究了音叉探针的振动特性。基于简化的三弹簧两质点力学模型,通过模态分析和谐响应分析,确定探针的音叉振荡形式;采用原子力模型及Derjaguin-Muler-Toporov(DMT)模型,计算探针针尖与样品之间的相互作用力,通过动力学方程模拟针尖接近样品过程中探针振幅响应特性。设计了小型自感应音叉测头。测头的探针由石英音叉和钨丝组成,共振频率达到25kHz以上,品质因数达到1000以上;研制测头电路模块,实现探针的振动激励及探针输出信号10~8级别的放大和寄生电容的补偿。搭建了基于音叉探针的原子力显微镜系统实验装置,装置主要包括信号提取模块、多运动平台控制系统和显微观测模块。信号提取模块采集探针信号的振动幅值信息;多运动平台控制系统用于实现探针和样品的移动;显微观测模块用于采集探针针尖和样品接近过程的图像;编写了基于C++的装置控制软件,实现对多个设备的控制和测试结果的输出。实验测试了音叉测头在幅值调制模式下的噪声特性和探针针尖接近样品表面的力-位移曲线,实验结果表明该装置的垂直分辨力达到0.1nm;通过该装置,对台阶和栅格试样进行扫描测量,获得了样品的表面形貌图,实验结果表明该实验装置能有效应用于纳米级样品表面测量。