双频超声传感器在参量阵技术、超声谐波成像以及一些新兴生物医学领域中具有广阔的应用前景。基于MEMS工艺的双频电容式微机械超声传感器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT）因频率控制灵活、易于加工阵列、阵元一致性好、方便与CMOS电路集成等优势而具有重要研究价值,但现有的双频CMUT研究主要针对医学超声成像方面的应用。由于CMUT声阻抗低、无需匹配层,因此相比于传统压电超声传感器更易在空气介质中使用,然而CMUT在空气中的应用研究一直比较薄弱且普遍存在频率单一的问题。针对这些问题,结合CMUT在制作双频传感器方面的独特优势,本文开展了空气耦合双频CMUT的结构设计、加工工艺及其在压力检测、湿度检测、空气耦合成像和空气参量阵中的应用等相关研究,主要包括以下几点:1.CMUT的理论分析及阵列结构设计。依据薄板理论、集总参数模型以及等效电路模型对CMUT单元的静态特性、频率特性、电学特性和振动特性进行分析,进而得出空气耦合CMUT各性能参数的变化规律,为CMUT结构设计提供理论指导。建立了CMUT单元的有限元多物理场耦合模型,对CMUT单元的力、电、声特性进行模拟,确定了两种频率CMUT单元的结构参数。通过Field II对两种阵列（六边形阵列和方形阵列）的发射声束进行模拟分析,最终确定了用于加工和声学测试的CMUT阵列排布。2.双频CMUT的加工工艺和性能测试。设计了双频CMUT的加工工艺,在同一晶圆上完成了不同结构参数不同频率CMUT阵列的加工。搭建实验系统对CMUT单元进行挠度变形、谐振频率以及振动模态等测试,测试结果验证了CMUT理论分析及有限元模型的正确性。优化CMUT声发射驱动电路后进行两种CMUT阵列的发射和接收性能测试,得到最佳电学激励参数。3.双频CMUT在压力检测和湿度检测中的应用。基于CMUT薄膜变形的小挠度理论和大挠度理论,对CMUT频率特性受外界压力和静电力综合作用的影响规律进行分析,进而提出了利用两种频率单元交错的双频CMUT阵列,在不同压力范围内实现高灵敏度和高线性检测的方法。此外,针对一些场合下CMUT在湿度检测过程中易受环境压力影响的问题,首次提出了利用双频CMUT单元的测量值进行差分处理,以补偿湿度检测中压力的影响的方法,提高了湿度检测的精度。4.双频CMUT在空气耦合成像和空气参量阵中的应用。提出了改变直流电压来调节CMUT单元的谐振频率进而拓宽频带和优化阵列排布进而提高超声成像分辨率的方法。搭建了穿透检测和回波检测两种空气耦合超声成像系统,来初步验证这两种方法可改善CMUT在空气耦合超声成像方面的性能。穿透检测超声成像实验结果表明成像效果与CMUT的阵列排布有关;回波检测超声成像实验结果表明通过改变直流电压可以拓宽CMUT的频带,且不同频率时均可取得较好的回波检测超声成像效果。此外,本文首次提出了将两种激励频率分别作用到对应频率的CMUT阵元上来产生差频声波的方法,解决已有研究中因激励频率偏离CMUT谐振频率而造成的声能量减弱的问题。通过激励双频CMUT阵列发射双频超声,在空气中实现了差频声波信号的初步探测。