开尔文探针提供了一种无损、无触点的方法来测量各种材料组合的功函数差。这些探针可具有多种设计，包括不同的顶端形状、长度和半径。为了确定最佳设计，同时最大限度地减少测试。
 

　　开尔文探针可以确定材料的接触电势差(或功函数差)。这种探针基于时变电容器，使用两个电极工作：
 

　　由功函数已知的材料制成的可移动探针。
 

　　由功函数未知的材料制成的固定样品。
 

　　当这些电极电连接时，费米能级达到平衡。功函数较低的材料中的电子流入功函数较高的材料中，这种流动产生接触电势差，为电容器充电。此外，可移动电极中的振动改变存储在电容器内部的电能，并产生流动的电流。通过测量这个电流，我们可以确定功函数差。也可以通过施加外部偏置电压来建立补偿操作并使电流为零。这种方法导致偏置电压等于两种电极材料之间的功函数差。
 

　　开尔文探针不仅具有多种应用，还具有多种设计。比如说，可移动电极可设计为多种形状，例如圆形板和窄顶端。圆形板设计使得探针能够形成平行板电容器。这种电容器产生很大的电容变化，无需复杂的电补偿方案即可测量的电流。当探针顶端较窄时，它可以扫描一个区域并产生横向分辨率。此选项需要电补偿电路，这是因为电容变化和产生的电流很小。