基于压电悬臂梁的生物传感器具有无标记、高灵敏度和检测方便的特点,在生物识别、环境异常检测和微粒称重等领域具有广泛的应用前景。传统的谐振式微质量传感器通过扫频测量微质量吸附前后传感器谐振频率的变化来实现称重功能,存在受环境阻尼影响,扫频耗时且设备昂贵等弱点,难以用于环境实时测量。为此,研究人员提出了基于定频点阻抗测量的方法,即检测固定频率处传感器电阻抗的变化来实现液体浓度或病毒生长的实时监测。目前该方法仍处于实验研究阶段,缺乏有效的分析和提升阻抗灵敏度的方法。为此,本文建立了考虑机电耦合效应的传感器阻抗灵敏度模型,提出了基于电路调谐的压电传感器阻抗灵敏度提升方法,建立了基于结构与电路协同优化的高灵敏度微质量传感器设计方法,给出了具有高灵敏度特征的传感器压电驱动元件与敏感元件布局方案,实验验证了所提出的高灵敏度传感器设计方法的有效性,具体包括:（1）考虑机电耦合效应的传感器阻抗灵敏度模型,以压电元件的等效电路模型为基础,考虑附加电路对压电谐振传感器动态响应的影响关系,建立了考虑电路参数影响的传感器阻抗灵敏度分析模型,研究了电感、激励频率和结构参数对传感器灵敏度的影响关系。研究表明,并联电感可以有效提升传感器的阻抗灵敏度,研制了长度为21.0mm的压电传感器,通过附加并联0.60H电感可使其阻抗灵敏度达到1.62×10⁷Ω/g,显著高于频差灵敏度1.0×10⁴ Hz/g。为了便于比较,引入统一量纲的灵敏度表达式,阻抗灵敏度可达156/g,是频差灵敏度2.8/g的55.7倍,实验证明了该方法的有效性;（2）基于结构与电路协同优化的高灵敏度微质量传感器设计方法,系统研究了电路形式、元件（电感、电容及电阻）与结构参数（压电与结构参数）等对传感器灵敏度的影响关系,建立了基于结构与电路协同优化的高灵敏度微质量传感器设计方法,当长度为25mm时,结构参数优化可使传感器的阻抗灵敏度达到7.09×10¹¹Ω/kg,统一量纲下阻抗灵敏度是频差灵敏度的82.5倍;电路与结构协同优化设计可使阻抗灵敏度达到1.96×10¹³Ω/kg,频差灵敏度为5.17×10⁷ Hz/kg,统一量纲灵敏度提升了91.3倍;（3）谐振式微质量传感器压电层布局优化设计,以压电敏感元件的布局和尺寸为设计变量,以灵敏度最大为目标,建立了谐振式微质量传感器压电层布局优化设计模型,给出了不同压电晶体个数所对应的具有高灵敏度特征的压电驱动元件与敏感元件布局方案,优化结果表明,三段压电片布局优化设计后,阻抗测量灵敏度是总长度相同的单段压电片的8.38倍。