压电微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,简称PMUT)是基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,简称MEMS)技术制造而成的超声换能器。相比传统超声换能器,其具有频率高、阻抗匹配优良、容易形成阵列等优点,因此被广泛应用于超声成像领域,如动作捕捉、指纹传感等方面。用于超声成像的PMUT及其阵列,其成像清晰度与其发射性能和接收性能直接相关。而现有的研究中,PMUT的成像清晰度仍有待提高。因此,本文针对提高PMUT及其阵列的发射性能和接收性能展开研究,根据薄板振动理论详细推导了PMUT张力或刚度主导下不同模态的本征频率。并进行了基于锆钛酸铅(PZT)压电薄膜的PMUT单元的仿真和制造,验证了换能器的四种模态。为进一步提高PMUT的发射性能和接收性能,采用Sc掺杂的AlN薄膜作为PMUT的压电材料,从AlN薄膜Sc掺杂浓度、薄膜厚度、顶部电极半径方面对PMUT单元的发射灵敏度和接收灵敏度进行了优化。接着,从输出功率、轴向声强、声指向性方面对PMUT单元的动态发射性能进行了分析,研究了顶部电极半径对PMUT谐振模态的影响,提出了应用(0,2)模态提升PMUT发射性能的方法。针对指纹传感应用,本文对基于ScAlN薄膜的PMUT阵列进行了建模及优化。主要分析了PMUT单元数量、单元间距、阵列夹持方式对PMUT阵列指向性和声压的影响,并比较了(0,1)模态和(0,2)模态的性能,进一步说明了(0,2)模态对压电微机械换能器的适用性。进行了PMUT阵列的初步制造,并对ScAlN薄膜进行了表征。