微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS),在电子器件小型化和集成化的今天,成为电子信息领域日益烜赫的研究热点。伴随新材料和新技术的不断涌现和普及,压电微机电系统(Piezo-MEMS)以其独有的压电特性、高响应速度、小尺寸和低成本的优势,推动了微机械传感器、执行器和换能器等小型化应用领域的迅猛发展。在压电微机电系统应用中,以正逆压电效应为基础实现能量转换的微机械结构,兼顾高性能与小型化,是整个系统的核心。巧妙的微机械结构设计,提高了器件的灵敏度、输出性能和可靠性,减小系统的能量损耗。压电微机械结构和机电换能机制,遵循弹性体和电介质的力学和电学行为客观规律,满足小型化系统的可行性的要求,是集成微系统的有效解决方案。成熟的压电微机电系统,是以小型化和集成化为中心,强化核心指标,集设计论证、加工制造、封装集成为一体的系统性研究。因此,本论文以压电微机电系统的致动机理为引导,在压电致动的理论基础上,实现器件性能与对应结构参数的关联,实现微机械结构的优化。通过器件的加工制造和实验测试对设计指标进行验证和迭代优化,完成器件的小型化和集成化,实现设计目标。本论文围绕压电微机电系统的相关技术展开了研究工作,主要内容有:第一,提出了一种压电多轴微振动平台,可用于惯性传感器的自标定。通过建立单端固支梁的弯曲振动模型,分析获得微振动平台的振动特性和主要性能指标的依赖关系。设计了基于折叠梁的边长3 mm的微振动平台结构方案,并通过结构参数的分析提升器件的输出性能。加工制造和封装后的微振动平台可以达到59μm的最大位移,40 g的轴向最大加速度,0.45°的最大倾斜角度和3000°/s的最大倾斜角速度。设计了基于光学原理的运动状态监测方案并进行封装集成,通过闭环控制实现了惯性传感器的原位自标定,在15 g的惯性传感器量程范围内,标定误差小于1.17%。第二,提出了一种新型的扁平化的压电行波超声微马达,可用于超声微马达的步进运动控制。通过建立圆形薄版的面外振动模型,对行波的产生原理和激发条件进行研究。设计了一种外径4 mm的带矩形开槽,使支撑结构置于振动位移零点的新型定子执行器。研究和优化定子执行器结构,获得了一种基于柔性支撑结构的微马达定子,实现了高匹配度的行波激发。设计了一种在定子和转子之间通过磁力来施加预紧力的方案,在可调的磁性预紧力控制下,微马达在100.1 kHz谐振频率下获得了8906 rpm的最大转速和27.03μNm的最大扭矩。设计了电容式运动状态监测方案,实现了微马达的步进转动控制,在22.5°的步进角下,转动误差小于±0.3°。综上所述,本论文以理论与实验相结合,研究内容从系统设计的角度出发,根据电介质压电效应和弹性体振动力学的基本原理,进行了两种类型的压电微机电系统应用的研究:一是可用于惯性传感器自标定的压电多轴微振动平台,二是可用于微马达步进运动的扁平化压电行波执行器。这些研究内容丰富和扩展了压电微机电系统的相关理论和应用研究。