21世纪以来，能源枯竭问题、社会老龄化问题和物联网飞速发展成为人们关注的焦点。随之而来的寻找可替代的清洁能源、实现对老年人健康的实时监测和为数量繁多的电子器件寻找功能装置成为目前的迫切需求。随着微纳米科技的发展，纳米换能器的出现可以同时解决上述难题。本文通过对材料与结构两方面进行研究，制备出一种高性能灵活便携式纳米换能器，其单次拍击输出电压可达171.2V, 输出电流可达107.6μA, 外接电阻下的最大输出功率密度可达0.6 mW/cm2, 并且其输出电压与外力呈现线性关系，灵敏度为46.37 ± 0.5 mV N-1 (R2=0.997), 说明其有很好的传感器应用前景。此外，通过最后以压电换能器为研究对象，基于有限元法，开展了表面结构特征对电性能影响的系统分析。利用尺寸、形貌和拓扑优化对换能器结构进行了分析和优化设计，对比了8中不同形貌，评估出其对电压输出和能量输出的影响效果，获得了尺寸、圆柱体半径、距离、深高比和外载荷对电性能输出的影响；其次，在周期性载荷下垂直施加载荷，在不同频率下进行了电路性质研究，对最优电阻，电流电压同频性，加载速度与电流关系，电流加载时延性进行了研究；最后，使用优化准则法，对悬臂梁压电换能器进行了拓扑优化，对比以顺应度和柔度作为目标值和单独以顺应度作为目标值，双目标值情况下实现了柔度的降低和电压值的增大，并且迭代过程显示，在悬臂梁尾端增加质量块有助于提升电压输出，为压电换能器的结构优化研究提供理论基础。