目前纳米技术的相关研究向着越来越多元化、高水平的方向发展,这也对纳米测量技术也提出了更高的要求。作为一种重要的微纳米检测技术,原子力显微镜(AFM)也向着更快速更精确的方向发展。本课题以音叉探针为基础,开发了一套可以实现快速和高精度测量的原子力显微镜系统,并实现了在三维形貌和纳米振动测量中的应用。本文具体的工作内容如下:1)介绍了AFM的三种工作模式和新型音叉探针的工作原理;为了分析音叉探针的工作特性,建立了音叉探针的电学模型和力学模型;阐述了AFM测量纳米振动的原理。2)开发了由显微成像模块、测头模块、DSP反馈模块、扫描模块以及上位机控制模块构成的AFM测量系统。设计了结构简单一体化的测头机械结构、制作了以TI公司TMS320C6748芯片为核心的反馈控制模块、编写了快速采集和扫描的上位机控制模块。3)为验证系统各个模块的功能,完成了对测头模块输入输出关系、探针振幅与驱动电压关系、DSP反馈模块输入输出响应和扫描模块扫描速度的相关测试。4)对AFM系统进行扫描实验和纳米振动测试。分别使用调频模式和调幅模式对标准栅格进行测试,证明系统在10μm/s的线速度下的重复性误差在1nm左右。使用压电陶瓷模拟纳米振动,在闭环模式下可以测量频率小于20Hz和大于213k Hz的振动,测量振幅可以达到微米级;开环模式下可以测量振幅小于380nm的振动,证明了系统在测量纳米振动应用中的可行性。