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随着微电子技术不断发展，各种各样的便携式低功耗电子设备进入了人类日常生活及工业生产活动中。由于传统的化学电池寿命有限，对于便携式低功耗电子设备而言其有限的能量供给问题日趋严峻。例如对于无线终端如智能家居、可穿戴设备，和对于难以触及的电子设备如人体植入设备、危险环境中的传感器而言，其定期供电维护是一项繁琐且成本高昂的工作。此外，化学电池较大的体积也阻碍了电子系统的微型化，同时日益增长的电池用量对人类生存环境造成了严重破坏。而具有微瓦到毫瓦级输出功率的能量收集技术作为一种切实可用的供电途径可以帮助低功耗电子设备实现能源独立，从而代替电池并且有效简化上述应用(电池更换不便、费用昂贵或危险)中的供电维护工作。
从技术上讲，能量收集是指将电子设备周围环境中各种形式的绿色清洁能源通过各种换能技术转化成电能，从而为设备电池提供电量补充或者完全取代电池。自然界中能量形式是多种多样的，比如有太阳能、热能、风能、射频能量和机械振动能等等。由于能量转化效率高低的差异及外界环境特点，不同形式、不同输出功率的能量收集技术适用于不同的应用场景。太阳能具有较高的能量输出，但其应用只局限于有日光的环境中。同样，热能、风能和射频能量的收集也局限于有温度梯度、有风和有无线电波的环境中。而机械振动能量是自然界和工程技术领域中存在最为广泛的能量形式，其能量或强或弱无处不在，如楼宇桥梁的微弱振动、交通工具的振动、人体的运动以及工厂机床的强振动。因此，机械振动能量收集技术因其丰富的应用场景受到了广泛关注。
环境中机械振动能量的收集主要依赖于各种机械振动能量收集器件。基于不同原理，机械振动能量收集器件通常包括四种类型：电磁式、静电式、摩擦电式和压电式。其中压电振动能量收集器件具有简单的机械结构，较高的品质因数和无需自启动等优势。当环境机械振动频率与压电振动能量收集器件固有频率相同时，其高品质因数特性可以有效放大振幅同时产生较大的材料应变，从而基于压电效应输出较高功率的电能。此外，在近10年发表的全球期刊文献中压电振动能量收集器件及其系统的文献数量远高于其它类型器件，这表明压电振动能量收集一直是振动能量收集领域中的研究热点。
压电振动能量收集器件作为振动能量收集系统的核心元件，其固有频率对能量收集性能有很大影响。基本物理规律告诉我们：只有在环境振动频率与压电振动能量收集器件的固有频率完全一致时才可以实现从机械能向电能的最大转换。当环境振动频率与压电振动能量收集器件的固有频率存在偏差(失配)时，压电振动能量收集器件的输出功率会急剧降低，这严重限制了其实际应用范围。另外，在微小尺度加工时，工艺误差易使器件固有频率产生偏差，造成环境振动频率与器件固有频率间的失配。从电路学角度考虑，这种频率失配造成的输出功率下降问题理论上可以通过负载匹配来解决。电子电路或器件中的基本振荡都是由电感L和电容C构成的电路来实现。为了实现任意频率下能量由器件到负载的最大传递，需要匹配电感L来匹配压电振动能量收集器件的内部固有电容C。而环境中机械振动频率一般都很低(典型值在100Hz左右)且通常是时变的，对于典型电容值为100nF的压电振动能量收集器件而言，其最大功率传输所需的LC匹配回路中的电感值约为25H，这远超过了物理可实现的数值，同时匹配电感值无法动态地随机械振动频率的变化而变化。这导致传统的压电振动能量收集技术无法实现宽频带实用化。此外，低功耗电子设备需要较低的工作电压，这要求压电振动能量收集器件及其接口电路具有较低的工作电压来顺应低压低功耗集成电路的发展趋势。面对上述应用挑战，压电振动能量收集器件的能量收集带宽亟需提高，同时在输出功率维持不变的情况下其输出电压应降低，从而增强低压低功耗自主微型电子设备在低电压、宽频带应用场景中的环境适应能力。
近年来文献中相关研究都在努力改善压电振动能量收集器件的工作带宽。相对于改善工作带宽的急切需求，低器件输出电压在低压低功耗集成电路应用领域方面的需求目前还未在文献中引起足够关注。现有研究工作从原理上涉及多学科交叉应用，使得本论文工作同时涉及机械、材料和电路学三方面的理论。压电振动能量收集器件作为振动系统，其固有频率和应变分布等机械性能的描述依赖于具体结构的动力学模型。同时作为电学器件，其电学输出特性依赖于器件材料自身的压电效应和振动产生的机械应变。其结构的机械特性与材料的电学特性结合形成机电耦合系统。因而对机电耦合系统的准确建模是开展关于器件带宽和输出电压优化工作的必要前提。此外，完整的压电振动能量收集系统还必须包括接口电路。接口电路介于压电振动能量收集器件和负载电子设备之间进行能量输运，它将器件的交流输出转为负载电子设备需要的直流输出。除压电振动能量收集器件自身性能外，接口电路的能量输运效率及自身功耗对压电振动能量收集系统的带宽也有重要作用。目前文献中对压电振动能量收集系统的研究可以归纳为以下三类：
1.完善压电振动能量收集器件的各种模型来指导压电振动能量收集系统的设计。
2.设计不同结构、不同材料及不同振动模式的压电振动能量收集器件来提高压电振动能量收集器件的输出功率和能量收集带宽。
3.设计优化压电振动能量收集器件的接口电路来提高从压电振动能量收集器件流入负载电路的能量。
然而，目前现有研究仍然有许多亟待解决或改善的热点问题。比如现有基于器件位移测量的模型参数提取方法所需测试系统复杂，无法测量带有封装的压电振动能量收集器件；传统器件线性等效电路模型对器件阻抗建模误差较大的问题；器件非线性特性对器件与接口电路耦合工作时的宽带输出功率性能的影响；悬臂梁式压电双晶片器件在低压宽带特性方面的优化设计方法的空缺；现有偏置翻转接口电路的宽频带工作性能分析的空缺；以及现有偏置翻转接口电路与低压器件联合时存在的高整流功耗等问题。并且上述不同方向的研究成果往往相互独立，对于完整的压电振动能量收集系统设计，需要考虑各个方向之间的耦合优化问题。
针对上述问题，本论文对压电振动能量收集系统的低压宽带优化研究采用自底向上式技术路线：首先，从器件模型理论出发研究改善模型参数提取方法、提高阻抗建模精度、研究器件非线性电路模型等相关问题；其次，基于器件机械模型及电路模型理论研究如何优化实现低压宽带的压电振动能量收集器件，并提出相关优化设计方法；然后研究高效的功率调理接口电路来实现宽频带能量输运；最后，在以上三部分的基础上综合研究器件及接口电路互相耦合作用时的整个能量收集系统的低压宽带优化设计方法。
根据上述技术路线，宽带和低压压电振动能量收集系统的实现需要从压电振动能量收集器件模型、器件材料和结构、器件接口电路三方面进行联合优化研究。首先需要压电振动能量收集器件机械模型和电路模型来准确描述器件的线性及非线性机电耦合特性。其次基于器件模型，以器件结构参数和材料类型为变量研究提出宽带低压器件的优化设计方法。然后从器件与接口电路耦合关系、接口电路控制时序和功耗角度出发研究改善传统偏置翻转接口电路(Bias-Flip电路)的宽频带能量传输性能。最终基于上述研究结果，联合设计宽带器件和高效接口电路来实现低压宽带压电振动能量收集系统。
围绕着上述优化目标及研究路线，本论文提出了一个关键创新点：采用一种改进后的功率调理电路(偏置翻转电路)作为接口电路来近似代替物理难以实现的可调的大匹配电感，且与经过结构优化后的具有高机电耦合系数的压电振动能量收集器件进行联合，从而提高压电振动能量收集系统的能量收集带宽并且降低系统工作电压。本文关键创新点结合了器件建模、器件材料和结构优化、功率调理接口电路(偏置翻转电路)优化方向上的具体创新。本文具体的创新性工作包括以下方面：
1.在压电振动能量收集器件建模方面：针对器件线性电路模型提出了一种基于电信号测量的模型参数提取方法，提高了模型参数提取精度并且降低了参数提取实验所需仪器复杂度。另外，在纯线性机械模型基础上，对压电振动能量收集器件的非线性特性进行了电路建模，探索了器件非线性特性对宽带能量收集的影响。最后，在宽频带振动环境下，以压电振动能量收集器件传统电路模型作为先验知识，提出了基于人工神经网络的器件阻抗模型，提高了器件阻抗建模精度，使压电振动能量收集系统早期设计中对输出功率的预测更加准确。
在压电振动能量收集器件建模方面的具体工作为：本文对矩形悬臂梁式压电双晶片能量收集器件进行了线性机械理论建模、有限元建模和电学建模。首先基于器件结构尺寸和器件材料的电学、力学特性，采用集总参数建模方法，以线性单自由度弹簧-质量块-阻尼模型来近似描述压电振动能量收集器件在一阶模态时的力学特性、电气特性和机电耦合特性，对压电振动能量收集器件进行一维线性机械理论建模，获得了器件机械模型参数的解析表达式。机械模型参数表达式是器件材料特性和器件结构尺寸的函数。然后建立了三维有限元模型来验证一维理论模型的有效性。为了实现器件和接口电路系统级联合仿真，压电振动能量收集器件的等效电路模型是必不可少的。本文通过机械动力学方程和基本电路元件伏安特性方程之间的分析类比，建立了压电振动能量收集器件的线性等效电路模型。针对线性电路模型，提出了一种基于电信号测量的模型参数提取方法。该方法通过测量器件在不同电阻负载下的宽频带输出电压曲线即可计算得到器件线性模型参数。通过对商业器件MIDEPPA2014进行机械理论建模、有限元建模及实际电路模型参数提取来验证建模方法的有效性。以上几种模型相互验证，为后续器件结构材料优化设计和器件接口电路设计提供基础。此外，在上述纯线性机械理论模型基础上，本文通过将器件材料的弹性非线性和耦合非线性数学表达式，即材料杨氏模量非线性和压电应变系数d31的非线性数学表达式，与非线性电路元件伏安特性进行类比，得到了压电振动能量收集器件的非线性等效电路模型。器件非线性电路模型的重要意义在于通过此电路模型可以联合各种压电振动能量收集接口电路进行系统级仿真，从而可以得到器件非线性特性对整个能量收集系统输出功率的影响。最后，在宽频带振动环境下，以压电振动能量收集器件传统电路模型作为先验知识，提出了基于人工神经网络的器件阻抗模型，有效提高了等效串联电阻和等效串联电容建模精度，使压电振动能量收集系统早期设计中对输出功率的预测更加准确。本文第二章详细介绍了以上工作。
2.在压电振动能量收集器件优化方面：研究了器件参数与不同负载及接口电路之间的耦合作用对能量收集系统电压和带宽的影响。基于上述研究提出了矩形压电双晶片能量收集器件机械结构和材料优化设计方法。根据器件优化设计方法，与美国MIDE公司合作对商业器件MIDEPPA2014进行优化设计并加工，经过优化设计后器件的机电耦合系数提高了1.85倍，同时器件输出电压降低了18%。
在压电振动能量收集器件优化方面的具体工作为：着重从压电振动能量收集器件材料和机械结构方面进行低压和宽带优化工作。基于器件线性模型，研究了各种负载条件下最优能量传递时的器件工作状态。推导了不同负载条件下压电振动能量收集器件的输出电压和输出功率随振动频率变化的关系。纯电阻负载下出现的双功率峰值谐振分离现象使得压电振动能量收集器件具有较高的带宽。同时着重研究了两个重要参数(等效压电系数A和器件机电耦合系数k2e)在各种负载条件下最优能量传递时与器件输出电压和功率带宽之间的关系。研究表明，器件的机电耦合系数k2e越大，谐振分离程度越大，能量收集带宽越大。在共轭匹配负载条件下，器件的最优输出电压幅度与器件等效压电系数A成反比。随着器件等效压电系数A增大，器件最优输出电压VML降低，从而器件的有效工作频率范围增大，有利于实现低压宽带能量收集。此外，研究了器件参数与偏置翻转接口电路之间的耦合作用对系统整流电压和能量收集带宽的影响。器件机电耦合系数越大，能量收集系统的功率带宽越大。同时器件固有电容Cp的减小可以降低偏置翻转电路损耗且提高偏置翻转效率，从而也提高能量收集带宽。因此，若想实现宽带低压能量收集系统，需要联合考虑器件和电路设计进行协同优化。基于上述研究，从器件机械结构和材料方面提出了矩形悬臂梁式压电双晶片能量收集器件低压宽带优化设计方法来提高器件机电耦合系数和等效压电系数，从而提高器件功率带宽同时降低器件输出电压。研究表明，实现高机电耦合系数器件的前提条件是器件总弹性系数中非压电层弹性系数占比极小。此外，增加压电层间距可以提高器件等效压电系数。对材料选型而言，可以考虑选用有较高材料机电耦合系数的压电材料来提高器件机电耦合系数，且采用具有较低杨氏模量的非压电材料作为非压电层来降低非压电层弹性系数。根据上述器件优化设计方法，与MIDE公司合作对商业器件MIDEPPA2014进行优化设计并加工来验证所提出的器件优化设计方法。本文第三章及第五章详细介绍了以上工作。
3.在压电振动能量收集器件接口电路设计方面：针对传统偏置翻转电路只能有效工作在器件固有频率处的问题，提出了具有最优相位的改进型偏置翻转接口电路，实现了宽带振动频率下的最优能量收集。研究了器件参数与偏置翻转接口电路之间的耦合作用对系统整流电压和能量收集带宽的影响。针对优化后器件的低输出电压特性，提出了一种基于零压降整流技术及最优偏置翻转开关控制时序的智能偏置翻转接口电路。经过联合优化后的系统3dB带宽为81Hz，相对带宽为13.3%，实现了目前文献报道中相对带宽最大的压电振动能量收集系统，同时系统整流电压降低了30%。
在压电振动能量收集器件接口电路设计方面的具体工作为：接口电路作为压电振动能量收集系统中的重要组成部分，其作用是将压电振动能量收集器件输出的交流电能转换为直流电能且传输到负载端。现有接口电路相关研究工作大部分只关注器件在固有频率振动时的工作性能，而宽带振动条件下接口电路的工作性能还未受到广泛关注。本文主要研究在线性器件模型条件下偏置翻转接口电路的输出功率带宽性能。首先分析了传统的全桥整流接口电路的工作原理及性能，为后续其他接口电路作对比。分析指出了传统全桥整流接口电路在对压电振动能量收集器件固有电容充放电过程中的电荷浪费现象，从而导致其能量传递效率较低。然后分析了传统的偏置翻转电路在器件固有频率振动时的工作状态。分析表明采用传统偏置翻转接口电路可以加速电容充放电过程来减少电荷浪费，从而提高固有频率处收集到的能量。随后针对偏置翻转接口电路提出了一种差分测量的方法来有效降低偏置翻转效率的测量误差，且实验数据表明采用此方法测量的偏置翻转效率与理论值相比误差在2.3%内。接着从偏置翻转接口电路控制时序出发，通过类比阻抗匹配条件下压电振动能量收集器件的电压电流相位关系，提出了具有最优相位的控制时序。在该时序控制下，通过分析压电能量收集系统的交流和直流能量收集特性，证明理想电路元件条件下具有最优相位的控制时序的偏置翻转接口电路可以在任意振动频率下实现最大能量收集，从而近似代替理想可调的大匹配电感。研究表明，偏置翻转效率越高时，偏置翻转接口电路特性越接近理想共轭匹配负载。在研究了器件参数与偏置翻转接口电路之间的耦合作用对系统整流电压和能量收集带宽的影响后，针对优化后器件的低输出电压特性，提出了一种基于零压降整流技术及最优偏置翻转开关控制时序的智能偏置翻转接口电路，实现了目前文献报道中相对带宽最大的压电振动能量收集系统。本文第四章及第五章详细介绍了以上工作。
最后，在压电能量收集技术(基于偏置翻转技术)应用方面，本文提出了具有能量收集功能的振动频率传感器系统，创新地通过偏置翻转电路将振动频率测量技术与振动能量收集技术结合。首先设计了具有频率自动跟踪功能的偏置翻转开关控制电路，实现了不同环境振动频率下的自适应能量收集。其次基于偏置翻转开关控制信号设计了信号调理电路来获取系统振动频率。两种电路通过偏置翻转技术结合形成具有能量收集功能的振动频率传感器系统。这项工作显示了偏置翻转技术在工业生产中的应用潜力。本文第六章详细介绍了以上工作。
从技术上讲，能量收集是指将电子设备周围环境中各种形式的绿色清洁能源通过各种换能技术转化成电能，从而为设备电池提供电量补充或者完全取代电池。自然界中能量形式是多种多样的，比如有太阳能、热能、风能、射频能量和机械振动能等等。由于能量转化效率高低的差异及外界环境特点，不同形式、不同输出功率的能量收集技术适用于不同的应用场景。太阳能具有较高的能量输出，但其应用只局限于有日光的环境中。同样，热能、风能和射频能量的收集也局限于有温度梯度、有风和有无线电波的环境中。而机械振动能量是自然界和工程技术领域中存在最为广泛的能量形式，其能量或强或弱无处不在，如楼宇桥梁的微弱振动、交通工具的振动、人体的运动以及工厂机床的强振动。因此，机械振动能量收集技术因其丰富的应用场景受到了广泛关注。
环境中机械振动能量的收集主要依赖于各种机械振动能量收集器件。基于不同原理，机械振动能量收集器件通常包括四种类型：电磁式、静电式、摩擦电式和压电式。其中压电振动能量收集器件具有简单的机械结构，较高的品质因数和无需自启动等优势。当环境机械振动频率与压电振动能量收集器件固有频率相同时，其高品质因数特性可以有效放大振幅同时产生较大的材料应变，从而基于压电效应输出较高功率的电能。此外，在近10年发表的全球期刊文献中压电振动能量收集器件及其系统的文献数量远高于其它类型器件，这表明压电振动能量收集一直是振动能量收集领域中的研究热点。
压电振动能量收集器件作为振动能量收集系统的核心元件，其固有频率对能量收集性能有很大影响。基本物理规律告诉我们：只有在环境振动频率与压电振动能量收集器件的固有频率完全一致时才可以实现从机械能向电能的最大转换。当环境振动频率与压电振动能量收集器件的固有频率存在偏差(失配)时，压电振动能量收集器件的输出功率会急剧降低，这严重限制了其实际应用范围。另外，在微小尺度加工时，工艺误差易使器件固有频率产生偏差，造成环境振动频率与器件固有频率间的失配。从电路学角度考虑，这种频率失配造成的输出功率下降问题理论上可以通过负载匹配来解决。电子电路或器件中的基本振荡都是由电感L和电容C构成的电路来实现。为了实现任意频率下能量由器件到负载的最大传递，需要匹配电感L来匹配压电振动能量收集器件的内部固有电容C。而环境中机械振动频率一般都很低(典型值在100Hz左右)且通常是时变的，对于典型电容值为100nF的压电振动能量收集器件而言，其最大功率传输所需的LC匹配回路中的电感值约为25H，这远超过了物理可实现的数值，同时匹配电感值无法动态地随机械振动频率的变化而变化。这导致传统的压电振动能量收集技术无法实现宽频带实用化。此外，低功耗电子设备需要较低的工作电压，这要求压电振动能量收集器件及其接口电路具有较低的工作电压来顺应低压低功耗集成电路的发展趋势。面对上述应用挑战，压电振动能量收集器件的能量收集带宽亟需提高，同时在输出功率维持不变的情况下其输出电压应降低，从而增强低压低功耗自主微型电子设备在低电压、宽频带应用场景中的环境适应能力。
近年来文献中相关研究都在努力改善压电振动能量收集器件的工作带宽。相对于改善工作带宽的急切需求，低器件输出电压在低压低功耗集成电路应用领域方面的需求目前还未在文献中引起足够关注。现有研究工作从原理上涉及多学科交叉应用，使得本论文工作同时涉及机械、材料和电路学三方面的理论。压电振动能量收集器件作为振动系统，其固有频率和应变分布等机械性能的描述依赖于具体结构的动力学模型。同时作为电学器件，其电学输出特性依赖于器件材料自身的压电效应和振动产生的机械应变。其结构的机械特性与材料的电学特性结合形成机电耦合系统。因而对机电耦合系统的准确建模是开展关于器件带宽和输出电压优化工作的必要前提。此外，完整的压电振动能量收集系统还必须包括接口电路。接口电路介于压电振动能量收集器件和负载电子设备之间进行能量输运，它将器件的交流输出转为负载电子设备需要的直流输出。除压电振动能量收集器件自身性能外，接口电路的能量输运效率及自身功耗对压电振动能量收集系统的带宽也有重要作用。目前文献中对压电振动能量收集系统的研究可以归纳为以下三类：
1.完善压电振动能量收集器件的各种模型来指导压电振动能量收集系统的设计。
2.设计不同结构、不同材料及不同振动模式的压电振动能量收集器件来提高压电振动能量收集器件的输出功率和能量收集带宽。
3.设计优化压电振动能量收集器件的接口电路来提高从压电振动能量收集器件流入负载电路的能量。
然而，目前现有研究仍然有许多亟待解决或改善的热点问题。比如现有基于器件位移测量的模型参数提取方法所需测试系统复杂，无法测量带有封装的压电振动能量收集器件；传统器件线性等效电路模型对器件阻抗建模误差较大的问题；器件非线性特性对器件与接口电路耦合工作时的宽带输出功率性能的影响；悬臂梁式压电双晶片器件在低压宽带特性方面的优化设计方法的空缺；现有偏置翻转接口电路的宽频带工作性能分析的空缺；以及现有偏置翻转接口电路与低压器件联合时存在的高整流功耗等问题。并且上述不同方向的研究成果往往相互独立，对于完整的压电振动能量收集系统设计，需要考虑各个方向之间的耦合优化问题。
针对上述问题，本论文对压电振动能量收集系统的低压宽带优化研究采用自底向上式技术路线：首先，从器件模型理论出发研究改善模型参数提取方法、提高阻抗建模精度、研究器件非线性电路模型等相关问题；其次，基于器件机械模型及电路模型理论研究如何优化实现低压宽带的压电振动能量收集器件，并提出相关优化设计方法；然后研究高效的功率调理接口电路来实现宽频带能量输运；最后，在以上三部分的基础上综合研究器件及接口电路互相耦合作用时的整个能量收集系统的低压宽带优化设计方法。
根据上述技术路线，宽带和低压压电振动能量收集系统的实现需要从压电振动能量收集器件模型、器件材料和结构、器件接口电路三方面进行联合优化研究。首先需要压电振动能量收集器件机械模型和电路模型来准确描述器件的线性及非线性机电耦合特性。其次基于器件模型，以器件结构参数和材料类型为变量研究提出宽带低压器件的优化设计方法。然后从器件与接口电路耦合关系、接口电路控制时序和功耗角度出发研究改善传统偏置翻转接口电路(Bias-Flip电路)的宽频带能量传输性能。最终基于上述研究结果，联合设计宽带器件和高效接口电路来实现低压宽带压电振动能量收集系统。
围绕着上述优化目标及研究路线，本论文提出了一个关键创新点：采用一种改进后的功率调理电路(偏置翻转电路)作为接口电路来近似代替物理难以实现的可调的大匹配电感，且与经过结构优化后的具有高机电耦合系数的压电振动能量收集器件进行联合，从而提高压电振动能量收集系统的能量收集带宽并且降低系统工作电压。本文关键创新点结合了器件建模、器件材料和结构优化、功率调理接口电路(偏置翻转电路)优化方向上的具体创新。本文具体的创新性工作包括以下方面：
1.在压电振动能量收集器件建模方面：针对器件线性电路模型提出了一种基于电信号测量的模型参数提取方法，提高了模型参数提取精度并且降低了参数提取实验所需仪器复杂度。另外，在纯线性机械模型基础上，对压电振动能量收集器件的非线性特性进行了电路建模，探索了器件非线性特性对宽带能量收集的影响。最后，在宽频带振动环境下，以压电振动能量收集器件传统电路模型作为先验知识，提出了基于人工神经网络的器件阻抗模型，提高了器件阻抗建模精度，使压电振动能量收集系统早期设计中对输出功率的预测更加准确。
在压电振动能量收集器件建模方面的具体工作为：本文对矩形悬臂梁式压电双晶片能量收集器件进行了线性机械理论建模、有限元建模和电学建模。首先基于器件结构尺寸和器件材料的电学、力学特性，采用集总参数建模方法，以线性单自由度弹簧-质量块-阻尼模型来近似描述压电振动能量收集器件在一阶模态时的力学特性、电气特性和机电耦合特性，对压电振动能量收集器件进行一维线性机械理论建模，获得了器件机械模型参数的解析表达式。机械模型参数表达式是器件材料特性和器件结构尺寸的函数。然后建立了三维有限元模型来验证一维理论模型的有效性。为了实现器件和接口电路系统级联合仿真，压电振动能量收集器件的等效电路模型是必不可少的。本文通过机械动力学方程和基本电路元件伏安特性方程之间的分析类比，建立了压电振动能量收集器件的线性等效电路模型。针对线性电路模型，提出了一种基于电信号测量的模型参数提取方法。该方法通过测量器件在不同电阻负载下的宽频带输出电压曲线即可计算得到器件线性模型参数。通过对商业器件MIDEPPA2014进行机械理论建模、有限元建模及实际电路模型参数提取来验证建模方法的有效性。以上几种模型相互验证，为后续器件结构材料优化设计和器件接口电路设计提供基础。此外，在上述纯线性机械理论模型基础上，本文通过将器件材料的弹性非线性和耦合非线性数学表达式，即材料杨氏模量非线性和压电应变系数d31的非线性数学表达式，与非线性电路元件伏安特性进行类比，得到了压电振动能量收集器件的非线性等效电路模型。器件非线性电路模型的重要意义在于通过此电路模型可以联合各种压电振动能量收集接口电路进行系统级仿真，从而可以得到器件非线性特性对整个能量收集系统输出功率的影响。最后，在宽频带振动环境下，以压电振动能量收集器件传统电路模型作为先验知识，提出了基于人工神经网络的器件阻抗模型，有效提高了等效串联电阻和等效串联电容建模精度，使压电振动能量收集系统早期设计中对输出功率的预测更加准确。本文第二章详细介绍了以上工作。
2.在压电振动能量收集器件优化方面：研究了器件参数与不同负载及接口电路之间的耦合作用对能量收集系统电压和带宽的影响。基于上述研究提出了矩形压电双晶片能量收集器件机械结构和材料优化设计方法。根据器件优化设计方法，与美国MIDE公司合作对商业器件MIDEPPA2014进行优化设计并加工，经过优化设计后器件的机电耦合系数提高了1.85倍，同时器件输出电压降低了18%。
在压电振动能量收集器件优化方面的具体工作为：着重从压电振动能量收集器件材料和机械结构方面进行低压和宽带优化工作。基于器件线性模型，研究了各种负载条件下最优能量传递时的器件工作状态。推导了不同负载条件下压电振动能量收集器件的输出电压和输出功率随振动频率变化的关系。纯电阻负载下出现的双功率峰值谐振分离现象使得压电振动能量收集器件具有较高的带宽。同时着重研究了两个重要参数(等效压电系数A和器件机电耦合系数k2e)在各种负载条件下最优能量传递时与器件输出电压和功率带宽之间的关系。研究表明，器件的机电耦合系数k2e越大，谐振分离程度越大，能量收集带宽越大。在共轭匹配负载条件下，器件的最优输出电压幅度与器件等效压电系数A成反比。随着器件等效压电系数A增大，器件最优输出电压VML降低，从而器件的有效工作频率范围增大，有利于实现低压宽带能量收集。此外，研究了器件参数与偏置翻转接口电路之间的耦合作用对系统整流电压和能量收集带宽的影响。器件机电耦合系数越大，能量收集系统的功率带宽越大。同时器件固有电容Cp的减小可以降低偏置翻转电路损耗且提高偏置翻转效率，从而也提高能量收集带宽。因此，若想实现宽带低压能量收集系统，需要联合考虑器件和电路设计进行协同优化。基于上述研究，从器件机械结构和材料方面提出了矩形悬臂梁式压电双晶片能量收集器件低压宽带优化设计方法来提高器件机电耦合系数和等效压电系数，从而提高器件功率带宽同时降低器件输出电压。研究表明，实现高机电耦合系数器件的前提条件是器件总弹性系数中非压电层弹性系数占比极小。此外，增加压电层间距可以提高器件等效压电系数。对材料选型而言，可以考虑选用有较高材料机电耦合系数的压电材料来提高器件机电耦合系数，且采用具有较低杨氏模量的非压电材料作为非压电层来降低非压电层弹性系数。根据上述器件优化设计方法，与MIDE公司合作对商业器件MIDEPPA2014进行优化设计并加工来验证所提出的器件优化设计方法。本文第三章及第五章详细介绍了以上工作。
3.在压电振动能量收集器件接口电路设计方面：针对传统偏置翻转电路只能有效工作在器件固有频率处的问题，提出了具有最优相位的改进型偏置翻转接口电路，实现了宽带振动频率下的最优能量收集。研究了器件参数与偏置翻转接口电路之间的耦合作用对系统整流电压和能量收集带宽的影响。针对优化后器件的低输出电压特性，提出了一种基于零压降整流技术及最优偏置翻转开关控制时序的智能偏置翻转接口电路。经过联合优化后的系统3dB带宽为81Hz，相对带宽为13.3%，实现了目前文献报道中相对带宽最大的压电振动能量收集系统，同时系统整流电压降低了30%。
在压电振动能量收集器件接口电路设计方面的具体工作为：接口电路作为压电振动能量收集系统中的重要组成部分，其作用是将压电振动能量收集器件输出的交流电能转换为直流电能且传输到负载端。现有接口电路相关研究工作大部分只关注器件在固有频率振动时的工作性能，而宽带振动条件下接口电路的工作性能还未受到广泛关注。本文主要研究在线性器件模型条件下偏置翻转接口电路的输出功率带宽性能。首先分析了传统的全桥整流接口电路的工作原理及性能，为后续其他接口电路作对比。分析指出了传统全桥整流接口电路在对压电振动能量收集器件固有电容充放电过程中的电荷浪费现象，从而导致其能量传递效率较低。然后分析了传统的偏置翻转电路在器件固有频率振动时的工作状态。分析表明采用传统偏置翻转接口电路可以加速电容充放电过程来减少电荷浪费，从而提高固有频率处收集到的能量。随后针对偏置翻转接口电路提出了一种差分测量的方法来有效降低偏置翻转效率的测量误差，且实验数据表明采用此方法测量的偏置翻转效率与理论值相比误差在2.3%内。接着从偏置翻转接口电路控制时序出发，通过类比阻抗匹配条件下压电振动能量收集器件的电压电流相位关系，提出了具有最优相位的控制时序。在该时序控制下，通过分析压电能量收集系统的交流和直流能量收集特性，证明理想电路元件条件下具有最优相位的控制时序的偏置翻转接口电路可以在任意振动频率下实现最大能量收集，从而近似代替理想可调的大匹配电感。研究表明，偏置翻转效率越高时，偏置翻转接口电路特性越接近理想共轭匹配负载。在研究了器件参数与偏置翻转接口电路之间的耦合作用对系统整流电压和能量收集带宽的影响后，针对优化后器件的低输出电压特性，提出了一种基于零压降整流技术及最优偏置翻转开关控制时序的智能偏置翻转接口电路，实现了目前文献报道中相对带宽最大的压电振动能量收集系统。本文第四章及第五章详细介绍了以上工作。
最后，在压电能量收集技术(基于偏置翻转技术)应用方面，本文提出了具有能量收集功能的振动频率传感器系统，创新地通过偏置翻转电路将振动频率测量技术与振动能量收集技术结合。首先设计了具有频率自动跟踪功能的偏置翻转开关控制电路，实现了不同环境振动频率下的自适应能量收集。其次基于偏置翻转开关控制信号设计了信号调理电路来获取系统振动频率。两种电路通过偏置翻转技术结合形成具有能量收集功能的振动频率传感器系统。这项工作显示了偏置翻转技术在工业生产中的应用潜力。本文第六章详细介绍了以上工作。