納米壓痕儀主要由軸向移動線圈、加載單元、金剛石壓頭和控制單元等四部分組成。壓頭材料一般為金剛石，常用的有伯克維奇壓頭(Berkovich)和維氏(Vicker)壓頭。壓入載荷的測量和控制是通過應變儀來實現，整個壓入過程由計算機自動控制，可在線測量載荷與相應的位移，并建立兩者之間的相應關系(即P—h曲線)。在納米壓痕的應用中，彈性模量和硬度值是常用的實驗數據，通過卸載曲線的斜率得到彈性模量E，硬度值H則可由最大加載載荷和殘余變形面積求出。
納米壓痕技術大體上有5種技術理論：
(1)Oliver和Pharr方法：根據試驗所測得的載荷一位移曲線，可以從卸載曲線的斜率求出彈性模量，而硬度值則可由最大加載載荷和壓痕的殘余變形面積求得。該方法的不足之處是采用傳統的硬度定義來進行材料的硬度和彈性模量計算，沒有考慮納米尺度上的尺寸效應。
(2)應變梯度理論：材料硬度H依賴于壓頭壓人被測材料的深度h，并且隨著壓人深度的減小而增大，因此具有尺度效應。該方法適用于具有塑性的晶體材料。但該方法無法計算材料的彈性模量。
(3)Hainsworth方法：由于卸載過程通常被認為是一個純彈性過程，可以從卸載曲線求出材料彈性模量，并且可以根據卸載后的壓痕殘余變形求出材料的硬度。該方法適用于超硬薄膜或各向異性材料，因為它們的卸載曲線無法與現有的模型相吻合。該方法的缺點是材料的塑性變形假設過于簡單，缺乏理論上支持。
(4)體積比重法：主要用來計算薄膜／基體組合體系的硬度，但多局限于試驗研究方法，試驗的結果也難以*排除基體對薄膜力學性能的影響。
(5)分子動力學模擬：該方法在原子尺度上考慮每個原子上所受到作用力、鍵合能以及晶體晶格常量，并運用牛頓運動方程來模擬原子間的相互作用結果，從而對納米尺度上的壓痕機理進行解釋。
