随着载人航天、探月工程、深空探测技术的不断发展,在任务中对实验仪器的小体积、低功耗提出了更高的要求。微小尺寸的真空泵是用于生化分析仪器（典型如质谱仪）或电子元器件（典型如行波管）等仪器的关键部件之一。受目前微型真空泵的尺寸限制,微型分析系统或电子元器件的尺寸很难进一步缩小,限制了微型分析仪器在航空航天、军事探索和军民融合领域的进一步应用。为了突破真空泵尺寸的瓶颈,本研究设计了一种微尺度、可应用于便携式气体分析系统的容积式真空泵,其结构相对简单、功耗低、体积小,并且可以达到合理的真空度要求。本设计将压电驱动集成在真空泵中,在控制信号的作用下,通过压电驱动实现泵腔与主动阀的联合致动。并且,通过非线性应力建模分析了隔膜-柱塞可承受的极限应力以及隔膜可实现的最大形变量,通过流体流动建模分析了泵在工作过程中可获得的进/出口压差和流量。同时,利用集总参数元件建模的方法分析了真空泵在抽/排气过程中的气体流阻以及6个不同阶段中的时间响应。在真空泵各层芯片结构的设计中,对3组参数,共27种组合的隔膜-柱塞结构尺寸进行了静力学对比分析,并且基于真空泵多级芯片的布局,对阀门-泵腔-阀门采用120°结构布局进行了流体动力学仿真分析。在已完成的分析对比基础上,对最优结构的隔膜进行动力学分析,得出其在前6阶振动情况下的振型和频率。在驱动层芯片的设计中,在不同的外加电压下（20～60V）,对不同的压电片结构参数进行了对比分析,获得压电片在施加电压下可实现的最大形变量。通过对真空泵流体通道层芯片结构各参数分析对比和多级泵方案的设计,获得了MEMS真空泵设计中的最优结构（120°排布）和最优参数组合:隔膜直径φ=6mm,环状区域宽度d=500μm,隔膜厚度h=10μm;利用流-固耦合的方法分析了气体在真空泵中传输过程,当隔膜-柱塞的振动频率f=5Hz时,真空泵可实现的压差为ΔP=440.6Pa,流量为Q=3.14sccm;并对真空泵工作过程中的6个阶段进行了响应时间分析,得出了其主要时间响应:τ预抽气=20.83ms,τ抽气=220.76ms,τ预排气=3.86ms,τ排气=78.40ms。上述分析为真空泵的加工制造以及进一步的深入研究提供了重要的理论支持。