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微悬臂梁结构是MEMS器件结构中最基础、最简单的结构。一般的微悬臂梁式传感器主要有两种工作模式：静态形变模式和动态振动模式。静态形变模式是利用悬臂梁结构极高的力学灵敏度，检测引起悬臂梁形变的微弱的力学变化，而动态振动模式则是利用悬臂梁谐振状态(如频率、振幅等)随质量变化的漂移特性，实现微小质量的检测。基于这两种工作模式的微悬臂梁结构被广泛地应用于微量生物、化学物质的检测和分析。
针对悬臂梁的静态形变模式和动态振动模式，本论文分别开展了有源半导体器件嵌入式微悬臂梁及耦合谐振式微悬臂梁结构的基础研究。分析了微电子基础有源半导体器件MOSFET(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)的应力灵敏系数与硅晶向和掺杂类型(n型和p型)的关系，提出了具有最高应力灵敏度的<100>nMOSFET嵌入式微悬臂梁结构的设计，并利用基于SOI衬底的POST-CMOS工艺技术方案，实现了该悬臂梁结构的制备。通过在悬臂梁表面修饰单分子自组装层(SAM)，该悬臂梁结构被成功应用于表面吸附中化学分子之间相互作用的动力学过程和内在机制分析，以及相对湿度的定量检测。研究表明，<100>nMOSFET嵌入式微悬臂梁结构可以检测到表面吸附中由分子相互作用引起的约3.2 mN/m的表面应力。
不同于MOSFET具有较高的应力灵敏特性，另一种微电子基础有源半导体器件Al-Si SBD(Schottky Barrier Diode)的应力灵敏度一般非常低，难以实现应力敏感。本论文采用在Si中掺杂Au的方法提高Al-Si SBD的产生-复合效应(R-Geffect)，以提高Al-Si SBD的理想因子n，进而提高SBD的应力灵敏特性。研究表明Au掺杂的(Au-doped)Al-Si SBD的应力灵敏系数比普通的Al-Si SBD的应力灵敏系数高近两个数量级。Au-doped Al-Si SBD的应力灵敏系数达到Si的压阻系数的量级，使Au-doped Al-Si SBD能够应用于应力传感器中。本论文提出了Au-doped Al-Si SBD嵌入式微悬臂梁结构的设计，并实现了其制备。通过在悬臂梁表面涂覆PDMS薄膜，实现了对化学物质(环己烷)的初步检测。
当前应用的微悬臂梁式质量敏感传感器都是基于谐振频率随质量变化而漂移的原理。本论文通过研究耦合谐振式微悬臂梁结构的振动特性，提出利用耦合谐振式悬臂梁在同相(in phase)谐振态和异相(out of phase)谐振态时的振幅比作为随质量的变化量，实现微小质量变化的检测。该方法可以有效消除诸如驱动力等外界因数对振动系统的影响。本论文提出了一种硅基耦合谐振式微悬臂梁结构的设计，实现了其制备，并利用激光多普勒振动测试仪进行了耦合谐振式悬臂梁在压电陶瓷驱动下振动特性的测试研究。研究表明，基于耦合谐振式微悬臂梁结构振幅比的质量灵敏度比常规的谐振频率灵敏度高一个数量级以上。