随着集成电路技术和MEMS/NEMS技术的发展，电子器件的功耗越来越低。受传统电池使用条件、寿命、稳定性等方面的限制，物联网感知层成千上万的无线传感器节点迫切需要突破依赖电池供电的发展瓶颈。特别是在一些危险、人类无法触及的场合，如人体内、火山口、建筑物墙体等使用传统电池困难或电池难以更换的应用情况，实现无线传感器的自助供能几乎是唯一的解决方法。压电能量收集就是一种最有希望通过收集环境振动能实现无线传感器节点自助供电的技术。压电能量收集器利用压电材料的正压电效应，把周围环境中的振动能、应变能和机械碰撞能转化为电能为低功耗电子器件供电，实现这些功能部件的自助供能。　　压电材料是压电能量收集器的核心部分。以(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)为代表的一类高性能弛豫铁电单晶，在准同型相界(MPB)附近表现出优异的压电、介电和应变性能。围绕单晶压电材料和陶瓷压电材料本论文主要开展了如下研究内容:　　一、基于欧拉-伯努力梁理论，建立了简支梁压电能量收集器的振动方程和机电耦合方程，对器件进行了尺寸优化。优化结果与文献资料上采用能量方法所得结果趋势一致，谐振频率为273 Hz与理论计算值275 Hz非常接近。理论上得出的单晶片压电能量收集器压电陶瓷与金属弹性层在长度，宽度和厚度方向的功率优化尺寸比例分别为:0.73，0.15，0.4。为了展示压电材料在能量收集方面的理念，本课题在设计压电能量收集单元器件的基础上，组装成功了压电型发电地板。60 kg的人单次踩踏可产生0.3 W的电学输出，开路电压达到60 V左右，能量密度为18μJ/cm3，机电转化效率为0.2％，顺利点亮几百个LED。　　二、结合悬臂梁和铙钹结构的各自特点提出了复合能量收集器结构的设计。其中Candle结构就是本课题提出的复合结构能量收集器中的一种。Candle压电能量收集器由一个悬臂梁和两个Cymbal压电换能器构成。在相同的力学激励下，与传统Cymbal结构压电能量收集器相比，Candle的谐振频率低至94 Hz，而Cymbal的谐振频率则在1000Hz以上;Candle的输出电压为37V，是Cymbal的5倍，输出功率更是Cymbal的7倍，功率密度也比Cymbal大5倍。Candle压电能量收集器还具有非线性输出的特点，当激励加速度大于某一阈值时，输出功率和电压会发生跳跃式增加。有限元仿真结果说明这种非线性跳变是由于悬臂梁与Cymbal压电换能器的边沿发生了非线性接触，使动能短时间内转化为势能，提高了能量收集器的功率输出。　　三、双稳态压电能量收集器在增加带宽，提高功率输出和降低谐振频率方面具有独特优点，成为目前研究的一大热点。但是传统的双稳态结构通常需要通过多块永磁铁的吸引或排斥作用来实现双势阱的构造，容易造成杂磁干扰，且体积庞大难以集成。本课题利用屈曲梁理论设计制作了免磁铁简支双稳态压电能量收集器。通过微位移平台控制轴向压缩位移实现了简支双稳态压电能量收集器工作的边界条件，并验证了其在带宽和低频方面的优势。实验结果表明当纵向压缩位移△l=0.06 mm时，简支双稳态压电能量收集器表现出明显的混沌振动特性，此时具有最大的带宽和较大的功率输出，带宽达到24 Hz～52 Hz，均方根开路电压达到30V以上。　　四、在基础理论方面，基于等效电路模型研究了器件的有效机电耦合系数和能量转化效率的关系，并首次提出了采用器件的开路电压和振动位移比来表征其综合性能的方法。理论结果表明器件的机电耦合系数主要与激励频率和负载电阻有关，机电转化效率在开路情况下为恒定值，电阻负载情况下与激励频率无关，实验和理论分析结果基本一致。　　五、为建立完整的自助供电系统，还进行了能量采集和存储电路的研究。利用Linear的压电能量采集芯片LTC3588-1，为无线发射模块设计了整流，DC-DC转换和能量存储电路，并完成了无源无线开关原型机和无源胎压检测系统的设计和调试。同时还进行了同步电荷提取，倍压整流等能量采集接口电路的研究。