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随着微机电系统（MEMS）技术与物联网的迅猛发展,微加工超声换能器在各类超声器件中脱颖而出,在国民经济、社会发展与国防安全领域发挥着越来越重大的作用。由于压电式微加工超声换能器（pMUT）克服了传统大尺寸压电陶瓷超声换能器和电容式微加工超声换能器（cMUT）的诸多缺陷而成为极具发展潜力与应用前景的一种新型超声换能器,具有结构设计灵活、制作工艺简单、无需偏置电压、灵敏度高、可靠性好、声阻抗易匹配、尺寸小、易于阵列与集成等优点。目前国内外研究机构主要致力于pMUT器件的机电耦合系数、灵敏度、工作频率、带宽等性能参数的提升,但是工作频带单一、频率带宽小使得基于pMUT的超声成像系统始终无法兼顾大探测范围和高成像分辨率。此外,由于pMUT很难兼得高机电耦合系数与高品质因数Q,这使得pMUT的研究几乎都集中在超声换能方面,尚未有深入研究pMUT的传感特性及其应用。因此,本论文在国家重点研发计划和中国留学基金委的资助下,对pMUT的多频带、宽频带超声换能特性与多参数传感特性及其应用展开了深入的研究。论文的创新工作和主要研究内容如下:1)基于Kirchhoff薄板理论和压电本构方程推导出矩形pMUT振动时的运动方程和各阶振动模态频率,利用能量分析方法推导出pMUT的等效刚度系数并建立了pMUT机电等效电路理论模型。通过与COMSOL有限元仿真结果对比分析,所建立的理论分析模型可以精确地预测pMUT的振动挠度波形和模态频率。此外,还研究了锆钛酸铅（PZT）薄膜的沉积与刻蚀技术,设计出一种基于准同型相界（MPB）PZT薄膜的矩形pMUT一体化微加工工艺,并分析了电场极化条件对MPB-PZT薄膜压电特性的影响,测试结果表明单脉冲高电压极化能有效提高压电常数并降低介电常数和介电损耗。2)提出了一种单一单元的压电-静电复合式多频超声换能器,器件结构可看成由压电薄膜与凹槽形介电薄膜的cMUT堆叠而成,可分别按照低频cMUT和高频pMUT两种模式工作。建立了多频超声换能器的微分运动方程及其在两种不同工作模式下的机电等效电路模型,理论分析了非平整形层合薄膜的挠度波形函数并与COMSOL有限元仿真分析作对比,挠度波形预测偏差低于1%,并通过改变压电薄膜与介电薄膜的尺寸比,可实现非谐波方式下2到20以上高低频率比的双频超声,且可通过结构设计独立优化高频与低频超声。与传统基于谐波响应的多频超声换能器的高频模式相比,所设计的多频超声换能器在高频超声工作方式下理论上能提供至少高一个量级的声压强度。3)提出了一种基于矩形压电薄膜的宽频带压电式多频超声换能器。通过对矩形和方形pMUT各阶弯曲模态振型的对比研究,理论分析了矩形薄膜长宽比对沿着pMUT长度与宽度方向各阶振动模态的调制作用,提出了矩形pMUT的多频带与宽频带工作机理,并利用COMSOL有限元仿真软件进行了验证。采用MEMS加工技术研制了三款具有小、中、大三种不同长宽比的矩形多频超声换能器,测试了它们在空气中的位移灵敏度、阻抗特性并完成了水下超声发射实验,结果表明具有中等长宽比的矩形多频超声换能器可以表现出响应曲线更平滑和响应带宽更大的多频带特性,在无声阻抗匹配前提下前两个通频带的-6 dB带宽分别为112%@0.615 MHz和38%@1.63 MHz,高于先前报道的所有压电式多频超声换能器的工作宽带,在超声探测、诊断、治疗及成像领域具有广泛的应用前景。4)构建了一种基于pMUT线性阵列与摩擦纳米发电机（TENG）的自驱动多参数复合传感柔性系统,由pMUT湿度传感器、pMUT温度传感器、TENG能量收集器和基于TENG的CO2气体传感器组成。制备出氧化石墨烯（GO）和聚乙烯亚胺（PEI）均匀混合的PEI/GO复合薄膜,分别采用单纯GO薄膜、单纯PEI薄膜和不同PEI体积分数的PEI/GO复合薄膜设计pMUT湿度传感器,经过详细的表征分析与实验测试,基于GO薄膜和PEI薄膜的pMUT湿度传感器的灵敏度分别为719 Hz/%RH和543Hz/%RH,具有明显的非线性响应特性,基于50%（v/v）PEI体积分数的PEI/GO复合薄膜的pMUT湿度传感器的灵敏度高达748Hz/%RH,并且具有良好的线性度,滞回特性和稳定性也得到了改善。采用未经敏感薄膜功能化处理的pMUT阵元作为温度传感器,设计出基于pMUT线性阵列的湿度传感器和温度传感器阵列,可自补偿传感器阵列的温、湿度效应。设计TENG收集环境振动能量为pMUT阵列温、湿度传感器供电,最大输出功率为7.5 mW。采用PEI功能化TENG的摩擦接触表面并由此设计CO2气体传感器,利用基于PEI/GO复合薄膜的湿度传感器校准CO2气体传感器的湿度效应,经校准后CO2浓度测量误差小于5%,测量量程极限高达10000 ppm。