随着微机电系统(MEMS)的发展,微型化、集成化、便携化成为了必然趋势,设备的运行功率大大降低,因此从外界环境中获取能源的技术成为了设计自供电MEMS的关键一环。振动俘能器可以将外界机械能转化为电能,主要分为压电式、静电式和电磁式三种,其中压电式与静电式同MEMS具有更好的兼容性。振动俘能器的研究已经受到了研究者的广泛关注,技术也很成熟,目前主要的研究方向在于如何优化其工作性能,例如俘能器的工作带宽、输出功率和转换率。本文针对压电以及静电俘能方式,设计了两种新型的振动俘能器,即基于石墨烯基层的双梁碰撞结构的纳米俘能器和双输入结构的静电压电耦合俘能器。利用Hamilton原理,Hertz接触理论,Kirchhoff电路定律,压电效应、挠曲电效应和静电效应等,建立了机电耦合动力学方程,通过理论计算、有限元分析和实验验证的方法研究了不同参数下的两种俘能器的输出特性。文章主要研究内容分为以下几个方面:(1)设计了双梁碰撞结构的微纳型挠曲电俘能器。首先对该振动俘能器的基层材料进行了优化,对于微观尺寸,尤其是纳米尺寸的俘能器,其工作过程中的能量损耗问题不可忽视。针对常用的几种微纳型压电俘能器的基层材料,通过理论分析与有限元计算相结合的方法,计算了相同尺寸下悬臂梁的品质因子Q和悬臂式压电俘能器的转换效率,通过比较发现,在采用纳米晶体石墨烯作为基层时,能量损耗最低,俘能器对外界振动的敏感度最高。然后对双梁碰撞结构的纳米型俘能器进行建模,基于Hamilton原理和Hertz接触理论并考虑挠曲电效应得到了微纳型挠曲电俘能器的机电耦合方程,与基于挠曲电效应和Kirchhoff电路定律得到的电学方程构成了所设计俘能器的机电控制方程组,利用MATLAB ode算法求解得到了不同参数下俘能器的频响曲线,根据输出响应优化了双梁之间的间距与末端质量块的大小;同时利用宏观同结构器件实验验证了碰撞带来的宽频和升压的效果;利用转换效率的计算得到了最优阻抗。(2)设计了基于悬臂结构的静电与压电复合式俘能器。首先是双输入静电驻极体俘能器的设计,即通过在悬臂梁的自由端布置电容结构,利用梁振动过程中发生的挠度和转角,实现了两极板间正对面积和距离同时改变。验证了微观尺度下的电容边缘效应的存在和平行板电容计算公式的不适用性,推导了考虑边缘效应下所设计可变电容结构的电容随挠度变化的关系式。基于Newton第二定律、Kirchhoff电路定律和静电效应得到了双输入静电驻极体俘能器的机电控制方程组,对输出进行了求解,研究了梁长度、驻极体自身电容和寄生电容对俘能性能的影响,并通过对比验证了双输入结构的优势。然后进一步对双输入结构的静电驻极体俘能器进行了优化,通过在质量块上下两侧加入stopper限制悬臂结构的振动幅度,保护了电极板结构不被击穿。让电极板初始位置不正对,重新对电容计算公式进行了拟合。然后在改进后的结构的近固定端铺设了PVDF层,与双输入电容结构结合,在悬臂梁的振动过程中,既在压电层内产生了应变,同时又改变了自由端电容装置的电容,实现了压和静电耦合俘能。同时发现stopper的存在,不仅保护了电极,同时带来的碰撞宽频效果也改善了俘能器的性能,最后比较了复合式俘能器与独立式俘能器的输出转化率,验证了复合式俘能器高转化率的特性,同时在转化率的计算过程中得到了不同模块的最优阻抗。本文基于悬臂结构,通过改进基层材料、利用碰撞结构、将静电压电两种俘能方式复合的方法对微观俘能器的性能进行了改善,并进行了理论推导、有限元计算和部分实验验证。