借鉴了昆虫毛发感知系统敏感机理的微机电（Micro-electro-mechanical system,MEMS）仿生毛发传感器是一种典型的多功能、小型化的新型传感器,可以实现对于空气流速、加速度、声音、振动等信号的检测,有望广泛应用于微自主系统的流速感知、运动控制、环境识别等智能传感领域。区别于传统的电容式、压电式或者压阻式敏感机理,本文首次将基于模态局部化效应的弱耦合谐振器应用于仿生毛发传感器的结构设计之中。现有的研究结论表明,基于特征向量调制机制的弱耦合谐振器相对于基于特征值调制机制的谐振器具有更高的相对机械灵敏度,以及更好的共模干扰（如环境温度偏移、气压变化等）抑制特性,因此能够有效提升仿生毛发传感器的综合性能。本文研究了弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的信号敏感机理,特别针对于敏感结构设计中所采用的基于模态局部化效应的弱耦合谐振器的特征向量调制机制进行了深入研究。在此基础上,设计并优化了弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的机械敏感结构及测控电路系统。论文的主要研究工作可以概括为以下几个方面:研究了弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的基本工作原理。建立了毛发结构的机械动力学模型,分析了圆柱体状毛发结构对于稳态空气流速信号和振荡空气流速信号的敏感机理;建立了二自由度弱耦合谐振系统的简化机械动力学模型,研究了弱耦合谐振系统在无阻尼自由振动、无阻尼受迫振动以及有阻尼受迫振动三种情况下的输出响应特性;分析并对比了弱耦合谐振系统在两种刚度扰动模式下的特征值及特征向量输出响应的相对灵敏度;研究了二自由度弱耦合谐振系统的模态干扰耦合现象并确定了最小耦合刚度系数条件。研究了二自由度弱耦合谐振系统的输出线性度及线性工作范围。针对弱耦合谐振系统在输入零点附近的强非线性问题,提出了三种全量程高线性度输出方案,即振幅差和振幅比复合输出、振幅比之和以及互倒振幅比之差。分析并比较了三种高线性度输出方案的阻尼特性以及非理想误差特性。数值计算分析结果表明,弱耦合谐振系统的互倒振幅比之差输出方案在各种阻尼环境下都能够保持相对优异的线性度,且对于各类非理想误差具有较好的抑制效果。研究了输入刚度扰动信号为简谐量时弱耦合谐振系统的输出特性,证明了基于互倒振幅比之差输出方案的弱耦合谐振器可以实现对于简谐信号的线性化测量。设计了弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的机械敏感结构方案。优化了弱耦合双端固定音叉谐振器、微杠杆、摆动抑制机构等结构的关键参数以提升传感器的机械传感性能;建立了毛发传感器的有限元仿真模型并基于ANSYS仿真软件进行了综合仿真分析,包括模态仿真、热应力仿真、瞬态冲击仿真、谐响应仿真、空气流速响应仿真、加速度响应仿真、交叉轴耦合误差仿真等。仿真结果表明,结构参数优化后的弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的各方面性能均能够满足设计要求。研究了弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的测控系统与信号处理方案。设计了基于锁相环的闭环驱动电路以及基于C/V转换器的信号检测电路,并确定了基于FPGA的数字化测控系统实现方案;提出了基于正交相干算法的信号解调方案用于提取简谐信号输入的弱耦合谐振系统的互倒振幅比之差的幅值,并基于Simulink系统仿真验证了解调方案的有效性;提出了一种直接测量弱耦合谐振系统振幅比的电路实现方案,并基于平均法和Simulink系统仿真分别从理论和仿真的角度验证了方案的有效性。完成了弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的加工与性能测试。基于深硅刻蚀/玻璃键合和微组装工艺的复合加工工艺流程制备了弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器的原理样机。搭建了完善的测试平台并完成了毛发传感器样机的性能测试。测试结果表明弱耦合谐振式MEMS仿生毛发传感器样机能够有效敏感外界稳态空气流速及振荡空气流速信号,且互倒振幅比之差输出方案能够显著提升毛发传感器的机械灵敏度以及输出线性度。另外,基于不同的振幅比测量方案对传感器样机进行了对比测试实验,实验结果证明了基于幅度闭环控制的振幅比直接测量方案的有效性。