与人类感觉器官将周围环境信息转化为神经冲动的作用相似,拥有传感功能的智能电子设备可感知周围信息的变化并转化为电信号输出,是构建物联网和人工智能的关键环节。随着微纳加工技术和电子信息技术的持续突破,智能电子设备被不断赋予新的标签,包括微小型化、智能化、集成化、柔性化等。一种为人熟知的体现便是穿戴式智能电子设备,它集成了供能单元、传感感知、信息处理、信号收发、电子显示等功能部分,其应用业已渗透到人们生活的各方面,极大地改善了人们的生活质量。然而,其发展仍面临诸多挑战,关键瓶颈就在于持续可靠供能和多功能集成。针对上述难点的切实有效的解决方案之一,是基于热电、压电、电磁、静电、光电等机理,将人体自身和所处环境的各种形式能量转化为电能,实现可持续的微纳能源;更为重要的是,基于输出电信号与输入激励信号间量化关系的解析,无需外加电能驱动,微纳能源自身所产生的电信号即可实现传感,即主动式传感。因此,开展微纳能源采集技术的研究对解决穿戴式电子设备的持续可靠供能问题和多功能一体化集成问题,进而推动物联网和人工智能的深入发展具有重要意义。针对上述关键问题,本论文的主要研究工作包括以下四个方面:首先,通过对单一能量转化机理的研究,结合工艺优化（丝网印刷工艺、静电纺丝工艺）和结构设计,实现了三种微纳能源采集器件,包括热电式、摩擦电式和压电式,并采用系统的性能表征和分析,探索了各器件作为穿戴式系统独立供能单元的可行性;通过研究单一器件中多种机理的复合集成,实现了两种具备更高性能的复合微纳能源采集器件,包括基于拱形结构的摩擦电-压电复合器件和基于弹簧-悬臂梁结构的摩擦电-压电-电磁复合器件,同样地,采用了一系列性能表征实验,综合地分析了各器件作为独立供能单元的可行性;为进一步提升其输出性能,引入了材料筛选、关键尺寸优化、表面微纳增强等性能提升策略,最终实现了21.84 m W的复合负载峰值功率,可在18.2 s内将1.32 m F电容充电至5 V,并且,通过28000次重复性测试验证了其优异的稳定性。其次,在基于单一机理的微纳能源采集研究基础上,深入分析外部激励输入与相应的电信号输出之间的耦合规律,提出了以下三种主动式的感知传感器件:基于热电的主动式温度传感器,实现了对温度变化的线性传感,探索并验证了其应用于主动式呼吸监测的可行性;基于摩擦电的主动式关节运动传感器,可实现对关节不同角度弯曲动作和扭转动作的主动式监测;基于压电的主动式感知识别微系统,通过读取、解析、判断预编译的压电主动信号,实现了人员身份识别、自动开锁验证等实用化功能。上述三种主动式感知传感器件均通过弯曲重复性实验和传感重复性实验被验证具有优异的可靠性。然后,通过对蚕丝蛋白和蚕丝蛋白/银纳米纤维复合材料传感特性的研究,结合工艺优化（静电纺丝工艺、掩膜喷涂工艺）和结构设计,提出了以下两种被动式的器件:全纤维电容式复合传感器,其可实现对压力、温度和湿度三种环境变量的传感,其中,压力传感在低压力范围内表现出了突出的灵敏度（7.5%/k Pa）和检测分辨率（26 Pa）,同时,其被拓展实现了呼吸监测和手指弯曲检测功能;薄膜电阻式复合传感器,其可实现对压力和温度两种环境变量的传感,相应的最高灵敏度分别达到了-18.7%/k Pa和-1.2%/℃,同时,其被拓展实现了接近检测和呼吸监测功能。此外,上述两种传感器均通过弯曲重复性实验和传感重复性实验被验证具有优异的弯曲可靠性和传感可靠性。最后,考虑到电阻式传感器测量电路具有可简洁化和低功耗化的特点,本论文将所实现的复合微纳能源采集器和电阻式复合传感器进行了集成,结合系统的电路设计,构成了自供能的全集成智能多传感微系统。其中,电路设计包括:针对复合微纳能源采集器的高效电源管理电路、针对电阻式复合传感器的低功耗信号处理电路,以及针对整个系统的智能开关控制电路。通过实验探索与对比分析,本文验证了上述多传感微系统可在复合微纳能源采集器件作为唯一供能单元的情况下,实现持续的自驱动工作,进而完成对环境变量的感知传感和数据实时无线发送操作,展现了突出的实用化潜力和价值。综上所述,本论文以微纳能源采集技术的机理研究为出发点,围绕器件电学输出性能的提升这一关键核心,通过模型研究、材料优化、结构优化、工艺优化,提出了基于热电、压电、摩擦电、电磁的单一机理和复合机理的微纳能源采集器件。其次,通过理论分析、性能表征和测试优化,揭示了微纳能源采集器件输出电信号与外部输入激励信号之间的耦合规律,将所提出的微纳能源采集器件的电学输出信号成功提取为自主供能的传感信号,实现了三种主动式传感感知器件,并进一步结合基于阻变和容变的多参量被动式传感感知器件研究,成功构建了融合自主供能和多参量耦合的智能传感体系;在此基础上,引入复合微纳能源采集器件,结合电源管理、信息处理、信号收发和控制系统,最终实现了自供能的全集成多传感微系统。本论文的研究工作揭示了微纳能源采集技术具有同时解决穿戴式电子设备的“供能”和“功能”这两个关键问题的可行性,对推动基于微纳能源采集的供能技术、传感技术乃至传感微系统的实用化发展具有重要的意义和价值。