掃描探針顯微鏡不是簡單成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進行加工和操作的工具。掃描探針顯微鏡的應用領域是寬廣的，無論是物理、化學、生物、醫學等基礎學科，還是材料、微電子等應用學科都有用武之地。
掃描探針顯微鏡主要可分為掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、力調制顯微鏡(FMM)、相位檢測顯微鏡(PDM)、靜電力顯微鏡(EFM)、電容掃描顯微鏡(SCM)、熱掃描顯微鏡(SThM)和近場光隧道掃描顯微鏡(NSOM)等各種系列顯微鏡。
這些顯微鏡都是基于探針在被測樣本表面上進行橫向和縱向掃描，并檢測探針針頭與樣品表面之間相關檢測量變化的原理研制的設備，因此，以上各系列顯微鏡被統稱掃描探針顯微鏡(SPM)。
掃描隧道顯微鏡(STM)的基本原理是基于量子隧道效應。當針尖和試樣面間距離足夠小時(<0.4nm)，在針尖和試樣面間施加一偏置電壓，便會產生隧道效應，電子在針尖和試樣面之間流動，形成隧道電流。
在相同的偏置電壓作用下，隨著探針同試樣面間的距離減小，隧道電流很快增大(可增大1～2個數量級)，同時針尖原子和試樣面原子的電子云部分重疊，使兩者之間的相互作用大大增強。由于隧道電流隨距離呈指數形式變化，因此，試樣面上由于電子排列形成的“凸凹不平”表面導致隧道電流劇烈的變化。檢測變化的隧道電流并經計算機處理，便能得到試樣面的原子排列情況。
原子力顯微鏡(AFM)基本原理是由于試樣面原子排列產生“凸凹不平”，當探針在水平方掃描時，針尖同試樣面間的距離在垂直方向便會產生變化。由固體物理學理論可知，當探針針尖同試樣面很近時，其間會產生原子間力。針尖同試樣面間垂直方向的變化距離導致針尖同試樣面間原子間力的變化。變化的原子間力引起懸臂梁在垂直方向發生振動，因此，利用激光束的偏轉可檢測出針尖同試樣面間變化的原子間力。將激光束的偏轉信號輸入計算機中進行處理，可得到試樣面的表面信息。在試樣面下方裝有壓電材料，用以接受計算機輸出的反饋信號，調節試樣面的高度，以達到保護探針針尖的目的。
由于原子力顯微鏡是基于原子間力的理論，因此，被測試樣面由導體和半導體擴展到絕緣體領域，其橫向分辨率可達0101nm。目前根據探針針尖同試樣面的接觸情況，將原子力顯微鏡的接觸形式分為接觸型(C型)、非接觸型(NC型)、間歇接觸型(IC型)。
力調制顯微鏡(FMM)探針針尖以接觸形式同被測試樣面相接觸。為保持探針同試樣面恒定接觸，使懸臂梁保持恒定彎曲，需將經計算機處理后的反饋信號送給懸臂梁。由于試樣面的局部彈性有差異，經調制后的探針振動信號隨試樣面局部彈性的不同而變化，因此，通過測量振幅的變化量可得到試樣面的局部彈性情況。探針所加信號為100～1000kHz，要略高于反饋信號。
力調制顯微鏡的*大特點是可測量表面的彈性變化情況，其橫向分辨率要高于原子力顯微鏡一個數量級。
相位檢測顯微鏡(PDM)在試樣面上施加輸入信號，則在懸臂梁上有相應的輸出信號。將兩種信號同時輸入計算機中進行處理，可得到試樣面的表面特性。
相位檢測顯微鏡的特點是接觸面處的接觸方式既可以是接觸型、非接觸型，也可以是間歇接觸型。可檢測出表面的彈性情況、粘性情況和摩擦情況。
靜電力顯微鏡(EFM)中，探針同試樣面的接觸情況為非接觸型。當探針在試樣面上進行掃描時，由于試樣面上電荷密度有差異，探針和試樣面間形成的靜電力隨掃描區域的不同而變化，因此，通過測量懸臂梁的振幅變化量可得到試樣面的表面電荷分布情況。該項技術由于被用于微處理器等深亞微米芯片檢測而被稱為“電荷探針”。
電容掃描顯微鏡(SCM)中探針同試樣面的接觸方式為接觸型的。當探針在試樣面上掃描時，由于針尖同試樣面間的介電常數隨掃描區域的不同而發生變化，從而導致接觸面處電容的變化。通過測量變化的電容，可獲得試樣面的介電常數分布情況。
電容掃描顯微鏡的特點是不僅可以測量表層的介電常數分布，還可以測量深層的介電常數分布。
熱掃描顯微鏡(SThM)在接觸處的接觸方式為非接觸型。掃描隧道顯微鏡的懸臂梁由熱膨脹系數較大的材料制成。當探針在試樣面上掃描時，由于 
試樣面上不同的熱量分布導致懸臂梁的變形量不同，通過測量懸臂梁的振動變化可得到試樣面上熱的分布情況。
近場光隧道掃描顯微鏡(NSOM)中，探針被固定，試樣面利用壓電技術進行掃描。針尖被做成音插形狀，以提高靈敏度。近場光隧道掃描顯微鏡可測量幾個納米的近場，對于次長波信息，分辨率可達5～20nm。
