随着微电子技术的不断发展以及电子器件功耗的不断降低,能量采集技术在无线传感网络节点,可穿戴设备,医学植入器件的供电中有着广泛应用前景。振动能量采集是将环境中的振动能通过特定的转换机制转换成电能,常用的转换机制包括压电式、静电式和电磁式。电磁式振动能量采集器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律,在外界振动激励下,永磁与线圈发生相对运动,线圈内的磁通量发生变化,从而产生感应电动势。电磁式振动能量采集器的显著优点是输出阻抗低,输出电流大。振动能量采集器面临的最主要问题是如何增加工作响应带宽和提高机电转换效率。传统的能量采集器都是基于线性弹簧的线性振动,当外界环境的振动频率与能量采集器的谐振频率一致时,发生共振,能量采集器的采集效率最高。但是,这种能量采集器的一个明显缺点是工作频率范围非常窄,环境频率稍作改变,其采集效率急剧降低。针对此问题,研究者提出能量采集拓频方法,包括调谐法、多模态法和非线性法等。非线性效应会导致幅频响应曲线弯曲,从而拓宽能量采集器的采集频率范围,受到研究人员的广泛关注。在国内外相关研究工作的基础上,本文围绕电磁式振动能量采集的非线性设计开展研究工作,提出了两种非线性电磁式振动能量采集方法,实现拓宽能量采集器的工作频率。论文的主要研究工作如下:1、提出一种拉伸非线性电磁式振动能量采集方法,实现宽频能量采集。对能量采集器进行了模型设计、静力学和动力学仿真优化,集成制造以及性能测试。平面弹簧结合固定-导向结构优点和电镀镍材料的机械性能优点,在大变形的情况下,不仅会发生弯曲变形,而且会出现拉伸效应,从而引起强烈的硬化非线性。拉伸非线性能量采集方法具有体积小和易于集成制造的优点,可以通过MEMS加工工艺集成制造。测试结果表明,能量采集器具有良好的重复性,在大变形条件下不会产生破坏。随着激励加速度的增加,能量采集器的幅值增加,采集带宽变宽。在0.5 g的加速度下,对于位移和输出电压分别获得129 Hz和59 Hz的大带宽。负载电阻与线圈内阻相同为38Ω时,最大功率输出为3.4μW,归一化功率密度为125.92μW cm^-3 g^-2。2、在上述拉伸非线性能量采集方法的基础上,提出了一种通过几何尺寸设计实现非线性刚度独立调节的方法,进而保证线性谐振频率不变的情况下,对能量采集器的峰值频率和带宽进行大范围调节。控制平面弹簧梁的厚长比,线性刚度可以保持不变,非线性刚度与弹簧的厚度成反比,从而实现了非线性刚度系数的独立调节。通过仿真计算验证了方法的合理性和有效性,并且制造了验证实验样机。在0.5 g的加速度下,能量采集器输出电压的工作带宽可以在37 Hz⁷5 Hz范围内调节。这种设计可以很容易地调整弹簧梁的长度和厚度,而不会改变整个能量采集器装置的体积,这与MEMS批量制造工艺兼容。3、提出一种磁力非线性电磁式振动能量采集方法,通过永磁与软磁铁芯之间的磁力耦合作用引入非线性,从而增加能量采集器的工作带宽。对能量采集器进行了模型设计、仿真优化,并通过制造样机进行性能测试和验证。通过控制永磁对与软磁材料之间的距离,可以调节永磁与软磁之间作用力的大小,从而向系统引入单稳态（单势阱）或者双稳态（双势阱）非线性。能量采集器在振动过程中,软磁铁芯的磁化方向发生周期性反转,实现线圈中磁通量变化率的最大化。当永磁与软磁之间的距离为1.5 mm时,表现为单稳态非线性响应,5 m/s²正向扫频时,获得工作带宽7.3 Hz,相当于峰值频率的11.28%。距离减小至0.5 mm,表现为双稳态非线性响应,10 m/s²正向扫频时,能量采集器发生大幅度的阱间振动,工作带宽15.5 Hz,相当于峰值频率的21.5%。与开放磁路相比,闭合磁路可以有效提高输出电压和功率。当永磁与软磁间隙为0.5 mm时,在10 m/s²的加速度下,闭合磁路下的输出电压最大值为118 mV,是开放磁路输出电压45 mV的2.6倍。闭合磁路最佳输出功率为8.25μW,是开放磁路情况下的0.84μW的9.8倍。