无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）在军事作战、航空航天、环境监测、智能家居、医疗服务、工业生产等领域具有重要的应用价值。然而目前WSN的供能方式主要是传统化学电池,存在寿命有限、需要定期更换及其微型化工艺难以与传感器集成工艺兼容等缺点,限制了 WSN的进一步发展。借助能量收集技术将自然界广泛存在的各种微能量转换为电能,为WSN及其他微电子器件持久供电提供了一种有效的解决方案。可用于能量收集与转化的微能源有太阳能、热能、振动机械能等,相比于其他环境能量,振动机械能是一种存在范围很广的能量形式,尤其在许多人们比较难以进入的地方都有振动源存在,因此研究振动能量收集技术具有更普遍的意义。其中压电式振动能量收集器因具有与MEMS工艺集成性好、无需启动电源及结构简单等优点,成为振动能量收集器研究领域的热点。综合国内外研究现状,压电振动能量收集器是解决WSN自供能问题的重要研究方向,如何开发能应用于低频环境且具备宽带能量收集能力的高性能压电振动能量收集器是其面向实际应用的首要前提,针对高性能压电振动能量收集器的结构设计、理论分析、制造工艺及性能表征进行研究就显得十分迫切。因此,本文提出了一种新型的低频宽带压电振动能量收集技术,采用多梁绳牵引单压电梁的结构,依托其刚柔耦合的非线性运动机制,实现低频、可变环境中的振动能量收集,主要围绕该新型能量收集技术在单方向上的收集性能展开研究,提出单方向的基于绳牵引结构的压电振动能量收集器原型,对其低频、宽带性能进行实验研究,建立刚柔耦合动力学模型,研究多参数的影响规律,并分别从结构和材料的角度提出优化方案,设计微型化器件并进行性能测试,展示了该新型能量收集技术在多方向能量收集方面的性能优势。主要研究工作概述如下:首先提出单方向的基于绳牵引结构的压电振动能量收集器原型,阐述其工作原理,分别建立双梁牵引结构的质量-弹簧-阻尼模型和多梁牵引结构的等效电路模型,相比于传统的阵列式悬臂梁结构的低频宽带压电振动能量收集器,实验结果表明该能量收集器展示出了较好的低频、宽带和输出性能。进而对基于绳牵引结构的压电振动能量收集器进行了参数化研究,为指导该能量收集器应用的优化设计奠定了理论基础。深入分析其动力学过程,建立刚柔耦合非线性动力学模型。采用数值仿真和实验相结合的方法,依次阐明关键影响参数对能量收集器幅频特性的影响规律,仿真和实验得到了一致的结论。针对如何进一步提升基于绳牵引结构的微型压电振动能量收集器性能的问题,分别从结构和材料两个方面提出了新的优化方案。①针对结构优化,提出了新的混合机制——碰撞与绳牵引混合机制,建立混合机制的非线性动力学模型,仿真和实验结果均表明:与仅基于绳牵引或碰撞机制的压电振动能量收集器相比,相同条件下,基于混合机制的能量收集器可以采用更少的低频梁个数实现更宽的带宽。同时带来的有益效果有:通过调节绳子余量可实现中心工作频率的调节;一个高频梁通过绳子可以为低频梁提供上、下两个方向的双重保护,进一步提升了微型器件的稳定性。②针对材料优化,选取在MEMS制备工艺有优势的AlN薄膜作为换能材料,结合压电方程和静力学分析给出了带有c轴倾斜角的AlN压电悬臂梁的输出能量（E）和开路电压（Vo）的理论模型,采用数值仿真的方法研究了 AlN薄膜的c轴倾斜角和几何尺寸对E和Vo的影响规律。仿真结果表明:在固定悬臂梁基底的情况下,E和Vo可以通过AlN薄膜的c轴倾斜角和几何参数优化,固定结构尺寸,优化c轴倾斜角,E可提升3倍,Vo提升2倍;固定最优c轴倾斜角,优化几何尺寸可以进一步提升E和Vo,其中优化c轴倾斜角是一种提高MEMS压电振动能量收集器性能直接且有效的方法。前述研究结果表明大尺度的基于绳牵引结构的压电振动能量收集器展示出了较好的能量收集性能,进而制备微型化的压电振动能量收集器进行性能验证。采用主流的MEMS制备工艺设计低频驱动梁和基于AlN薄膜的高频压电梁制备工艺流程,设计并搭建了针对微型器件的实验系统,进行低频、宽带性能测试。实验结果表明基于绳牵引结构的微型压电振动能量收集器同样展示出了低频、宽带的能量收集性能。最后,展示了基于绳牵引结构的低频宽带压电振动能量收集技术在多方向能量收集方面的性能优势。基于绳牵引结构,提出一种新型的多方向压电振动能量收集器,展开了对该多方向能量收集器的参数化研究。研究结果表明该多方向能量收集器的输出性能几乎不受激励方向的影响,可以实现多方向上的低频、宽带能量收集。同时将该能量收集器用于人体的能量收集,可以收集人体跑步和手部运动的能量,有望在复杂的振动环境中开拓更多的潜在应用。