自原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)被发明以来,作为纳米技术研究中一个重要的工具,其在多个领域都得到了应用。AFM作为扫描探针显微镜家族的新成员,由于对样品所处环境的要求更加宽松,这使其在生物科学研究领域中发挥着不可替代的作用。随着纳米技术的发展,对AFM功能性的要求越来越高,在对样品扫描成像的基础上,要求其具有操纵、加工刻蚀、电特性测量等更多的功能。目前,AFM系统以单探针结构为主,无法满足越来越多的功能需求,为了拓展AFM系统的功能与应用范围,本文设计了一种三探针原子力显微镜系统,旨在实现在对样品扫描成像的基础上,拓展其在纳米操纵、力特性测量等研究方向上的应用,本文的主要研究内容有:(1)概述了AFM的发展背景与历史,对国内外的AFM发展现状进行了介绍,总结了单探针原子力显微镜系统存在的不足,进而提出本文的研究内容。(2)对AFM的基本工作原理进行了介绍,总结了AFM系统的工作模式以及探针悬臂梁微位移的检测方法。以光束偏转法作为本设计中探针悬臂梁微位移的检测方法,建立了液体环境中两种检测光路的数学模型,分析了减小光斑跟踪误差的解决方法。(3)基于光束偏转法,设计了三探针原子力显微镜成像系统的光路系统,主要涉及激光器、光电探测器、反射镜等元器件参数的计算与选型。在光路系统的基础上,设计了系统的扫描定位与数据处理单元,最后确定了系统的整体结构并搭建了实验光路系统,系统的扫描范围为200μm×200μm,成像分辨率为1 nm。(4)为了验证系统的性能,对光路系统的误差进行了分析,通过对标准一维光栅扫描成像,评价与验证了自制AFM系统的成像性能。在不同参数条件下,对二维光栅进行了扫描成像研究,分析了设定值、比例增益与积分增益对扫描结果的影响。对细胞进行了成像与力特性的研究,成像的目标为肝癌细胞,最后测量得到了大鼠海马区神经细胞的力特性曲线,讨论了探针接触不同样品时力曲线的区别,为细胞电特性的测量等实验奠定了基础。(5)总结了本课题的研究工作,分析了系统中存在的不足,对未来的工作进行了展望。