基于谐振原理的微悬臂梁式质量传感器以其高分辨率,高稳定性,易集成等优点成为了近年来国内外的研究热点。但由于工艺及检测环境等条件的限制,很难在结构尺寸一定的情况下进一步实现痕量物质的精确测量。因此,本文拟通过非线性耦合传感新方法实现谐振式悬臂梁质量传感器灵敏度及分辨率的提高。针对非线性耦合梁结构在不同尺度下传感特性的差异,适应阵列大量制造及低成本小批量制造等不同市场需求,创新性的提出了基于同步共振原理的微纳尺度弱耦合质量传感检测方法及基于内共振原理的宏观尺度强耦合传感检测方法。理论分析:在同步共振方面,建立了可实现频率倍增和相位噪声抑制的耦合谐振子物理模型,利用非线性平均法推导了耦合谐振子同步共振区域的数学描述,确定了其影响因素,分析了同步传感的适用范围;在内共振方面,通过数值仿真,分析了超谐波单根梁及内共振耦合梁的非线性特性,证明了内共振耦合梁结构在低频激励时,相比于1/3主共振频率激励的超谐波单根梁具有更高的振幅输出,有利于传感器灵敏度及分辨率的提高。仿真方面:基于相位锁定原理,设计谐振频率比为整数比的耦合梁结构。将耦合部分改进为三段对称式设计,降低了高阶谐振梁的偏转;将耦合部分结构特性与耦合强度建立联系,通过仿真结果的拟合曲线确定耦合部分结构尺寸与耦合强度间的数学关系;进一步,针对谐振式悬臂梁质量传感器的气敏机理,设计了矩形梁,T形梁,插指形梁三种低频梁(传感梁)结构。仿真获得了被检测物浓度与频率偏移的关系,为可实现高灵敏度质量检测的传感器结构设计提供参考依据。实验方面:基于同步与内共振两种传感方法建立了微纳,宏观两个实验方案。微纳同步实验:利用微机电系统加工工艺制作了单晶硅基耦合梁结构。实验研究了自激、非自激(同步,超谐振)下皮克级质量扰动对幅频特性曲线,同步共振区域,超谐波区域的影响。实验结果表明,施加微小质量扰动后(8.609pg聚苯乙烯微球),低频梁主共振频率激励下的同步耦合梁谐振频率偏移明显(低频梁偏移6.13k Hz,高频梁偏移12.26k Hz),而超谐波激励的高频梁偏移较小(0.1k Hz),且同步共振区域的面积及偏移量也远大于超谐波共振区域。证明了同步可实现频率倍增,增大传感器的灵敏度。通过同步耦合梁的频率偏移量,计算质量扰动为8.792皮克,与微球质量接近,误差仅为2%,可认为微耦合悬臂梁结构能实现皮克级质量检测。设计U形耦合梁结构,并与双矩形梁结构同步共振区域范围进行对比,证明了微纳耦合梁中,非线性项对同步共振区域影响较大,而耦合项影响较小。宏观内共振实验:利用精密机械加工技术制作了黄铜基耦合梁结构。实验证实了单根黄铜基梁结构的非线性软弹簧特性,但其三次超谐波峰值(1/3主共振频率激励)非常微弱,无法用于质量检测。而实验中内共振耦合梁在低频梁主共振频率激励时,高频梁输出信号的倍频峰值明显,与第2章中数值仿真结果趋势相同,证明内共振可实现模态间的能量转移,提高质量检测分辨率;利用傅里叶变换获得了内共振区域范围,并进一步研究了质量扰动对内共振区域的影响。结果表明,低频激励下,内共振耦合梁相比于单根梁有更大的频率偏移,灵敏度更高。此外,设计了耦合部分为3mm,5mm,9mm的耦合梁结构,研究耦合强度对内共振区域的影响。实验结果表明,耦合强度增大(耦合部分长度增大),内共振区域增大,质量检测的线性度更好;进一步根据耦合强度随结构特性的变化规律,定义耦合强度系数C,通过分析计算证明了在宏观耦合梁结构中,耦合强度系数与线性度的变化有较强的一致性,当结构的耦合系数增大时,线性度提高,传感性能得以改善。该耦合系数值及其计算方法对宏观耦合梁结构耦合部分设计具有一定的指导意义。