当今社会,“互联网+”、物联网、智慧城市、汽车电子、移动通信、智能制造和人工智能等新兴市场的快速增长,促进了无线传感网络的飞速发展,然而无线传感网络节点的供电问题对全球能源体系提出了全新的挑战。高效获取与转换环境能量的微能源技术已成为无线传感网络节点持久可靠供电的使能技术,如何进一步实现环境动能的高效获取与转换、提高环境适应性已成为本领域的研究重点。论文针对实用化过程中微型压电振动能量收集器存在输出性能和工作频带难以满足应用需求等问题,基于多模阵列拓频法和碰撞限幅非线性拓频法,提出了基于梯形悬臂梁阵列的微型宽频带压电振动能量收集器新结构;系统地建立并解析求解了基于梯形悬臂梁阵列的宽频带压电振动能量收集器机电耦合与频带拓展相关理论模型;分析了基于AlN薄膜的梯形压电悬臂梁单元性能的主要影响因素,设计并优化了器件的结构参数;开展了AlN薄膜、三维微结构兼容加工工艺研究,制定了器件的加工工艺流程;成功研制出基于梯形悬臂梁阵列的微型宽频带压电振动能量收集器样机。研制的样机在0.5g加速度激励下的最优化负载电压、最优化输出功率与工作频带宽度分别可达6.73 V、10.06μW和5.8 Hz,有效地提升了输出性能与拓展了工作频带宽度。论文的主要研究工作:(1)系统地分析了压电振动能量收集器的理论模型、压电材料、结构设计、加工工艺和频带拓展的国内外研究现状、趋势和存在的问题,确定了本论文的研究目标与研究内容。(2)基于多模阵列拓频法和碰撞限幅非线性拓频法,提出了基于梯形悬臂梁阵列的微型宽频带压电振动能量收集器新结构,建立并解析求解了非等截面压电悬臂梁单元的单自由度双向耦合集总参数模型、基于欧拉-伯努利梁理论的双向耦合分布参数模型、基于Hamilton原理和铁木辛柯梁理论的双向耦合分布参数模型,并采用ANSYS有限元仿真对理论模型进行了验证。(3)建立了非等截面压电悬臂梁单元的碰撞限幅频带拓展非线性双向耦合集总参数机电模型,求解与分析了构建的非线性机电模型;并理论分析了碰撞限幅激励下的限幅结构单元的电学输出。(4)研究了不同形状非等截面压电悬臂梁的压电层轴向应力分布,系统地分析了影响梯形压电悬臂梁单元性能的主要因素,确定了梯形压电悬臂梁单元的主要技术指标与总体优化思路,基于建立的理论模型完成了宽频带压电振动能量收集器结构参数与限幅高度的优化设计。(5)分析了AlN压电薄膜的晶体结构、结晶取向机理与影响因素、制备方法,完成了梯形压电悬臂梁阵列单元的加工工艺流程的制定与版图设计,成功研制出基于梯形悬臂梁阵列的宽频带压电振动能量收集器样机。(6)研究了基于梯形悬臂梁阵列的宽频带压电振动能量收集器的测试方法,搭建了振动性能测试平台,对器件的相关参数和电学输出性能进行了测试与分析。