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近年来,随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）以及5G通讯技术的快速发展,无线物联网系统被广泛地应用于交通运输、智能农业、智能医疗、国防工业以及日常生活中。其中,数以千万计的小尺寸、低功耗、高精度微纳传感器作为“万物互联的神经元”组成了物联网系统感知层面的传感网络。MEMS技术在国内外已经显示出开发成熟商用传感器的潜力,并且已经在惯性导航、压力检测、新能源等新型物联网领域中大量使用。压电材料、制备工艺、器件结构以及外围电路是设计微纳传感器的关键因素和环节。本文主要以设计制备一种单片集成的多功能、高性能压电传感模块为目标,从氮化铝（AlN）及钪掺杂氮化铝（ScAlN）压电薄膜出发,搭建AlN/ScAlN复合薄膜MEMS传感器制备平台,解决了复合薄膜所带来的关键工艺问题;通过理论分析模型和有限元仿真对传感器的微结构进行设计和优化;针对不同传感器的应用场景和实际功能搭建了外围匹配电路;最后,对基于此平台技术的单片集成的三种传感器进行了实验测试和分析研究。本文的研究内容和结果如下:（1）AlN/ScAlN复合薄膜微纳传感器制备平台工艺技术分析了压电AlN及ScAlN薄膜的物理电学特性,研究了不同工艺条件和工艺参数对AlN及ScAlN薄膜质量的影响机制;分析了Sc元素掺杂对提升AlN薄膜性能的优化机理;利用磁控溅射沉积工艺成功制备了高结晶度的AlN/Sc0.2Al0.8N复合压电薄膜并进行了材料表征。针对带有悬臂梁和底部空腔的微纳传感器结构特点,搭建了一个多器件单片集成的AlN/ScAlN器件制备平台;研究了在加工过程中出现的压电薄膜沉积、薄膜刻蚀、双面光刻、深硅刻蚀等关键工艺,为实现微纳传感器件协同设计提供了工艺基础。（2）基于AlN/ScAlN复合薄膜的微纳器件设计与优化基于AlN/Sc0.2Al0.8N复合薄膜微纳器件制备平台,研制了一种在梯形悬臂梁两侧引入对称拐角结构的压电式能量采集器。通过理论分析,建立了多层材料悬臂梁的有效刚度与复合薄膜的有效压电参数影响能量采集器电学输出和共振频率的理论模型。通过有限元模拟仿真和实验测试评估了具有不同梁结构的压电薄膜能量采集器的性能。与传统的无拐角梯形悬臂梁相比,经优化的带拐角梯形（Trapezoid with Corner,TWC）悬臂梁能量采集器可将输出功率提高五倍。研制的AlN/Sc0.2Al0.8N的TWC悬臂梁式能量采集器的谐振频率为330.25 Hz,最大功率密度可达到2.054 m W·g-2·cm-3,约为AlN能量采集器最大功率密度的两倍。进一步,作为单轴加速度计,研究了梯形和TWC悬臂梁结构非谐振频率范围的电学输出特性。实验结果表明,TWC型器件的电荷灵敏度,最小量程和共振频率分别为6.2 p C/g,0.001 g和1284.25 Hz,并且在2 g加速度范围内表现出的良好线性输出特性（非线性度＜0.087%）。基于AlN/Sc0.2Al0.8N复合薄膜微纳器件制备平台,研制了一种折叠四梁的三轴压电加速度计。其中,四个支撑梁结构位于中心质量块的两侧,与质量块的边缘对齐,且梁的厚度与质量块的厚度保持相同。为了实现多轴检测,在折叠梁的末端设计分布了共16个压电传感叠层。分别从理论分析和有限元模拟说明了器件在X,Y,Z轴方向上加速度载荷引起的结构变形,应力分布和电学输出。实验表明,器件沿X,Y,Z轴方向的电荷灵敏度分别可以达到～1.07 p C/g,～0.66p C/g和～3.35 p C/g。这种结构为高灵敏度、低横向耦合的三轴压电式加速度计的设计提供了新的思路。基于AlN/Sc0.2Al0.8N复合薄膜微纳器件制备平台,研制了一种声表面波（Surface Acoustic Wave,SAW）谐振器。仿真发现,复合薄膜SAW谐振器的品质因子（Q）和有效机电耦合系数（K~2）均高于纯AlN或Sc0.2Al0.8N薄膜器件。通过MBVD（Modified Butterworth Van Dyke）模型提取测试曲线的电学参数,计算得到高达9704的Qunload值以及19.4的优值。进一步研究了带有底部空腔结构的SAW压力传感器,设计了一种集中载荷压力测试装置,分析了谐振器在集中载荷压力下频率漂移机制。外载荷作用下器件的串联谐振频率（fs）和并联谐振频率（fp）的变化线性近似为Δfs/F=-12.7 k Hz/N和Δfp/F=-46.2 k Hz/N,其载荷灵敏度分别为-28.4 ppm/N和-103.2 ppm/N。（3）外围电路仿真与实验针对单片集成的MEMS压电能量采集器、加速度计以及SAW谐振式压力传感器件,分别设计了三种功能电路模块,可以实现微纳传感模块的多种物理信息采集以及信号处理。仿真和实验表明,所设计搭载LTC3588-1芯片的能量采集微纳传感器电源模块能持续输出3.6 V的直流电压;所设计搭载OPA2192芯片的前置放大模块能够实现微纳加速度计输出小信号的放大;所设计搭载AT-41411芯片的振荡电路模块能够实现SAW传感器的自激振荡。多种MEMS传感器与电路模块的结合为后续自供能传感器系统的搭建提供了设计思路与解决方案。