随着集成电路的不断发展,微机电系统(MEMS)被广泛应用于无线传感网络、医疗卫生、环境监测、信息通信等领域。传统MEMS产品大多使用电池供能,但电池寿命短、更换费用高等问题制约了微机电产品的进一步发展。近年来,学者们开始研究环境振动俘能器代替电池为MEMS产品供能。其能量转换形式主要有压电式、电磁式和静电式。相比于静电式俘能器,压电式和电磁式俘能效率较高且不需要外接电源,进而得到了更多关注。然而,在当前压电和电磁俘能器研究中,普遍存在工作频带较窄、俘能效率低的缺点。因此,研究一种宽频带、高效率的俘能器具有重要的理论价值和实际意义。本文回顾了压电、电磁和压电-电磁复合俘能器的研究现状,针对现有俘能器能量收集效率低和工作频带窄的问题,设计了一种分段线性压电-电磁复合俘能器。在此基础上,对俘能器的发电性能和运动特性进行了理论分析和实验研究。本文主要进行了以下几个方面的工作:首先,设计了一种分段线性压电-电磁复合俘能器,并建立了俘能器的三维模型。考虑到压电力以及电磁力对系统发电性能的影响,利用机电耦合系数并结合了等效电路模型,建立了压电部分和电磁部分的力学方程。同时,基于俘能器的弹簧质量阻尼模型,得到了分段线性压电-电磁复合俘能器的数学模型。其次,针对分段线性压电-电磁复合俘能器的数学模型,采用平均法对模型进行了求解。得到了振幅、电压、电流及输出功率的表达式。分析了参数变化对输出性能的影响,得到了通过选择最优负载、合适的加速度以及调整分段线性结构参数等方式可以提高俘能器的发电性能的结论。然后,针对俘能器分段线性运动的稳定性问题,基于稳定性的基本理论,对运动微分方程进行求解,判定了运动的稳定区域和不稳定区域。将频率和激振力作为单分岔参数进行了研究,分析了分岔参数对运动振幅稳定的影响关系,得到了分段线性复合俘能器在实验过程中以及普通环境俘能中都不会发生分岔现象的结论。最后,建立了分段线性压电-电磁复合俘能器的实验系统,对其发电性能进行了相关的实验研究。分别从有无分段线性俘能系统、单一压电俘能系统、单一电磁俘能系统以及复合俘能系统几个方面进行了实验测试。实验结果表明,在0.3g的加速度下,分段线性压电-电磁复合俘能器与未具有分段线性特征的俘能器相比拓宽了8Hz频带。且复合俘能器比单一俘能器的输出功率高,在第一个共振区间内复合俘能器最大输出功率比单一压电俘能器和单一电磁俘能器分别提高了7.3倍和1.45倍,第二个共振区间分别提高了1.25倍和11.59倍。实验测试结果与理论结果高度一致,进而证明了平均法求解分段线性复合俘能器发电性能的可行性。本文提出的分段线性压电-电磁复合俘能器具有宽频、高效的特点,为微电子系统自供能的研究提供了设计思路。另外,基于平均法推导的分段线性压电-电磁复合俘能器的发电性能公式,适用于该类装置进一步微小化设计和优化。