以扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术，是纳米技术发展的重要基础。其中AFM由于测量不受样品导电性的限制，具有更加广泛的应用领域。随着纳米技术的发展，仪器本身的稳定性、操作的简便性、易维护性等以及应用领域的拓展和产业化也越来越受到人们的关注。本文提出了AFM系统数字化的新思想，对其原理和方法进行了系统的理论研究，在数字式原子力显微镜的研制上取得了一系列的突破，为数字式AFM在国内的普及和产业化奠定了良好的基础。 本文在全面分析国内外AFM技术研究和应用现状的基础上，对现有AFM仪器的缺陷和不足作了比较全面的理论分析和实验研究，着重分析AFM的反馈控制规律和探针一样品的进给规律，提出了用数字PID调节器实现AFM系统的反馈控制和样品的进给由步进电机控制丝杠传动机构实现，使AFM仪器的功能、自动化和稳定性在技术上向前迈了一大步，为AFM技术能够更简单、方便、有效地应用到各个科学领域奠定了基础。 本文的工作特点和创新之处主要体现在以下几点： 1、在理论研究的基础上，提出了原子力显微镜数字化的新方法。随着全面数字化时代的到来，数字化扫描探针显微镜的研制也日益提上了进程。目前，国内SPM仪器大多还停留在模拟量控制的水平，仪器本身无法在本质上做进一步的更新。因此，为提高仪器本身的稳定性、操作的简便性以及进一步增加仪器的功能，必须在AFM系统中采用数字化技术。 2、设计完成了AFM的数字PID反馈控制系统。目前，国内原子力显微镜大多采用模拟PID控制，虽然模拟控制具有反应速度快的优点，但缺点是精度不高，抗干扰能力不强，往往会引入附加的惯性环节，且电路结构复杂。而AFM系统的工作特点即探针一样品间距的精确控制，要求有一个灵敏、高效、精确、稳定可靠的反馈控制系统。目前，AFM的数字PID控制研究虽然已取得一定的进展，但都是通过DSP实现的，这无疑提高了AFM的成本，且技术难度大、开发设备昂贵。为此，我们研制了基于计算机的数字PID控制，PID控制规律用计算机程序来实现，各种控制算法只要改变计算机程序就可实现，具有很大灵活性，一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解决了。且计算机原本就是AFM系统的一个重要组成部分，因此，我们不需要增加新的设备就可实现AFM的数字PID控制，这无疑降低了仪器的成本，且提高了仪浙江大学了吹_l论文器的实用化和简易化程度。 3、设计完成由步进电机控制的AFM自动进给机构及其程序的编写。计算机控制步进电机驱动器输出脉冲信号驱动步进电机转动，从而实现AFM的探针一样品自动逼近，提高了操作的简便性和系统的自动化程度。 4、研究采用了新型的PCI数据采集卡及其软件的编写。提高了AFM系统与不同计算机和不同操作系统的兼容性，为AFM的普及奠定了良好的基础。 5、拓展了AFM的扫描控制软件和图像处理软件功能。如样品图像的三维标尺添加功能、纳米粗糙度线/面测量功能、微位移测量功能等。关键词:纳米技术、原子力显微镜、数字PID控制、步进电机、进给机构、数字化、图像处理、AFM应用