超声传感技术在智能传感、工业制造、智慧医疗、智能家居等领域应用价值突出。作为“非接触式”距离测量中的一种,超声测距具备方向单一、功耗低、受外界干扰小等独特优势,广泛应用于测量领域。然而,随着微机电系统（MEMS）技术和工艺的发展,超声传感系统正朝着微型化、智能化方向发展,传统的基于压电陶瓷晶片的大型超声换能器无法满足微型化测距设备的需求。而基于氮化铝（AlN）压电薄膜的MEMS压电超声换能器（PMUT）,其体积小、驱动简单、制备工艺与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容,易于测量系统的微型化,受到了广泛的关注和研究。但由于AlN较低的压电系数和机电耦合系数,该类PMUT产生的超声波信号强度较低,在空气中衰减较快,难以实现远距离的测量。为解决上述问题,本文开展了基于AlN压电薄膜的PMUT相关理论研究,提出了一种阵元式PMUT结构设计,阐述了其制备工艺,并对其机械特性、电学特性等关键性能进行了测试分析。根据其性能参数,设计了完整的后端匹配电路,并基于温度补偿和超声飞行时间（ToF）测距原理,实现了高精度的超声测距系统。本论文主要的研究内容包括:（1）讨论了超声波在空气介质中的传播特性,推导了超声波在空气中的声速计算式,并阐述了基于超声ToF的距离测量方案。讨论了AlN的压电效应和压电方程,阐述了基于AlN压电薄膜PMUT的基本结构设计,分析了其机械特性和电学特性,研究了其工作原理,建立了PMUT在电学域、机械域和声学域中的等效模型。（2）根据PMUT的基本结构和工作原理,创新性地提出了阵元式PMUT结构设计,以弥补AlN压电系数和耦合系数低的缺点,改善该类PMUT产生超声波能量较低的不足。阐述了其基于MEMS工艺的制备流程,并对制备的PMUT器件进行了形貌表征和相关性能测试分析。（3）根据PMUT的性能参数,设计了其后端匹配的电路系统,确定了基于PMUT的超声测距系统的硬件和软件方案,完成了其原理设计、版图设计和调试。（4）完成了超声测距系统的搭建和调试,实现了距离和温度测量。实验结果表明,本系统测量范围约为4cm~100cm,最大误差约为4mm,相对误差约为0.4%。