20世紀80年代，當IBM的Gerd Binnig聽到世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)的尖端在原子表面上拖曳，發出“迷人的噪聲”時，這些能夠觀察到尺度非常小的顯微世界的工具，就成為了納米技術研究和發展的基石。
隨后，在類似的工作原理上，科學家們又發展出了原子力顯微鏡(atomic force microscope，簡稱AFM)。多年來這種技術一直不斷發展，IBM甚至希望用它作為公司一項內存研發項目的基礎技術。盡管他們已經付出了很多努力，AFM的體積仍然很龐大，花費也不菲，得到5萬美元左右。
現在，德克薩斯大學(UT)達拉斯分校的研究人員通過使用微機電(MEMS)技術改進了AFM的技術性能。他們的研究結果證明，在使用新技術后，整個AFM的體積大約可以縮小到1平方厘米那么大。
在學術期刊《IEEE微機電系統》上，科學家描述了具體的應用方式。他們將基于MEMS的AFM連接到包含電路、傳感器和控制設備等小型化部件的電路板上了。依靠現在先進的制作工藝，就可以極大地縮小整個AFM的體積。
雖然，成本下降(因為尺寸的縮小和MEMS器件的規模經濟效應)是新一代AFM最大的特點，但實際上，AFM的測量方式才是這項技術真正的創新所在。
通常，AFM的整套設備中，包含一個懸臂式的探針，在記錄和掃描樣品表面時，探針會從樣品的表面經過，只要記錄探針與樣品在保持同等的原子力所需的垂直位移(因為原子會產生相互排斥的力，使排斥力保持恒定，就能勾勒樣品的輪廓)來繪制材料的表面特征。
而來自達拉斯分校的科學家開發了一套新的裝置，它們不再依賴恒定的力或距離。新裝置的尖端會垂直于樣品上下振動，在接觸樣品后快速抬離。在AFM技術中，這種模式被稱為“輕敲模式”(Tappingmode)。這種技術與廣泛使用的接觸模式AFM形成了鮮明的對比。
達拉斯分校的研究人員開發了一種新穎的方法來在AFM中實現輕敲模式：通過同時使用單個壓電換能器進行驅動和感測，從而避免了使用光學傳感器。由于接觸后的振幅會隨著與樣品相互作用的結構位置的不同而改變，所以新型的原子力顯微鏡就能通過記錄振蕩的振幅來生成樣品的圖像。
“在輕敲模式下執行測量減少了施加到樣品上的力，這對于掃描脆弱的樣品(比如生物樣本)非常重要。”達拉斯分校的機械工程教授、這項研究的共同作者Reza Moheimani在接受《IEEE綜覽》的采訪時說道。
“我們認為，系統的最終版本將使用類似的方法，用緊湊的機動化設備來使MEMS芯片與樣品接觸。目前受限于當前AFM設備的成像技術，該設備還不能在液體環境中的成像。不過已經不用放在真空環境中才能測試樣品了。在未來，新式的MEMS-AFM設備或許會考慮設計出在液體中也能成像的功能，”Moheimani還說。
MEMS-AFM的原型機使用了簡單的MEMS工藝制造，其中所有機械掃描和感測部件都包含在一片微小的芯片中。Moheimani說：“研究者們在設計器件以滿足制造工藝要求的同時，在獲得機械帶寬、位移范圍和交叉耦合方面的所需特性方面存在重大挑戰。”
達拉斯分校的研究人員必須采用迭代設計過程，其中對器件的早期制造版本的測試和表征允許他們更好地利用制造工藝的能力，并顯著改善諸如交叉耦合降低和可靠性等領域的性能的信號路由。
Moheimani和他的同事們已經對MEMS-AFM的下一個工程挑戰有了自己的看法。例如，在使用電子束沉積的后處理步驟中制造在MEMS-AFM的懸臂的端部處的尖銳探針。研究人員正在努力將探針的制造集成到MEMS制造過程中。這將簡化裝置的制造并提高耐久性。
此外，研究人員正在尋求小型化支持電子和控制系統。他們正在嘗試將MEMS芯片接口的專用集成電路(ASIC)與樣機硬件相結合。這將使得通過單個USB連接與最終用戶的PC連接成為可能。
最后，Moheimani還說：“我們的最終目標是開發一個可以使用單個MEMS芯片執行視頻速率AFM成像的系統。當前設備成功地演示了所需的許多功能，并且設備的未來迭代產品將被設計為朝著這一目標進一步努力。這樣的設備將使得人們能夠使用便攜且成本較低的系統來執行高速AFM成像。”
