氮化铝（AlN）属于第三代半导体材料,具有宽带隙、低介电常数、高热导率、优异的压电特性、声表面波波速高、化学稳定性好、与Si热膨胀系数失配小、与硅CMOS工艺兼容性好等特点,基于AlN的压电微型超声波换能器（PMUT）可以实现芯片级超声波发射与接收,克服传统超声医疗器械在体积尺寸、重量、系统复杂度方面劣势,是目前业界关注的热门方向。针对其未来在生物识别、便携式诊断与治疗、生物医学研究等应用需求,本文重点开展了基于AlN的压电微超声波换能器设计、工艺及测试分析工作,探索了其在接近传感、流速测量等方面应用研究,主要内容安排如下:首先调研分析了 AlN PMUT器件研究情况,明确本论文工作方向与内容。介绍了 AlN PMUT工作原理,包括压电材料的压电方程、等效电路模型和振动发声机制,采用有限元分析软件对具有开放空气腔和真空空腔的3×3AlN PMUT阵列进行结构设计分析优化。然后开展了 AlN PMUT器件工艺设计,进行了工艺流水试验,加工实物样品,完成了关键步骤检测分析,讨论分析了不同工艺设计的关键点、难点以及应用潜力。对制造的AlN PMUT器件进行性能测试分析,包括采用激光多普勒测振仪（LDV）测试谐振频率及振动位移幅度、阻抗谱测量、声发射与接收特性测试。测试了 AlN PMUT器件阻抗谱,并建立了相应模型进行仿真分析,不同外界应力对PMUT悬空薄膜谐振频率的影响进行了探讨。单个开放空气腔AlN PMUT器件谐振频率的仿真和测试结果分别为490 kHz和510 kHz左右,误差3.9%,单个真空腔体AlN PMUT谐振频率的仿真和测试结果分别为200 kHz和190 kHz左右,误差5.2%。在硅油中对两种空腔结构的AlN PMUT阵列的声发射和接收特性进行实测分析,通过建立仿真分析对结果进行了对比分析。开放空气腔AlN PMUT在距离3 cm处的最大发射声压值为18.65Pa,在2×104Pa的声压信号激励下,AlN PMUT在距离3 cm处接收到1.10 mV的电压值。真空空腔AlN PMUT在3 cm处发射声压值为27.75Pa,在距离声源3cm处测试得到的最大电压值达到7.55 mV。最后开展了 AlN PMUT器件应用探索,仿真分析AlN PMUT在有/无障碍物阻挡时、距离声源1 cm处辐射声压值的变化,验证了其作为接近传感的可行性,仿真分析了AlN PMUT阵列作为流量计的应用并进行验证分析。