痕量物质传感器是用于检测环境氛围中浓度极低、含量极少的待测物质的精密传感器。病毒、花粉检测,室内外污染检测,特种工程检测等多个应用场景对痕量物质检测提出了迫切需求。传统的谐振式传感技术受限于微纳制造工艺和单晶硅材料特性,已达到检测性能瓶颈,且在多痕量物质检测方面仍处于起步阶段。探索非线性谐振器丰富的振动特征成为提升传感性能的重要途径。内共振是一种由频率成整数比的耦合模态间能量传递引起的非线性振动现象,近年来被广泛用于能量采集。本文研究了不同耦合谐振结构中的非线性内共振现象,揭示了其科学意义并首次挖掘了其在单微量物质、单痕量物质、两痕量物质和多痕量物质检测方面的工程价值,研究内容如下:构建了一种基于自主参激内共振的单微量物质传感机制。本文研究发现,在大阻尼自主参激内共振系统中,参数激励模态的幅频响应曲线存在具有极好幅值稳定性的平坦区间。采用多尺度法推导了稳态运动方程,得到了幅值平坦区间的理论表达式及其斜率值与质量扰动之间的传感关系式,验证了该机制良好的抗驱动力波动能力,可实现单微量物质的高精度检测。构建了一种基于差分内共振的单痕量物质传感机制。本文研究发现,在非达芬内共振系统中,低频模态幅频响应曲线的双谐振峰具有差分效应,结合高频模态的倍频效应可两次放大质量灵敏度,且能抑制驱动力波动的影响,有望实现单痕量物质检测。建立了差分共振系统的理论模型,采用多尺度法推导了稳态运动方程,并搭建开环实验系统验证了该传感机制对质量灵敏度的双重放大作用和对驱动力波动的抑制作用。构建了一种基于达芬内共振的两痕量物质的同步识别与连续检测机制。本文研究发现,在内共振系统中每个模态的响应幅值都能反映其它耦合模态的特征。基于1:3达芬内共振系统的幅频特征和倍频效应,构建了一种两痕量物质传感机制,采用谐波平衡法推导了频率特征点的数学表达式并建立了两物质的传感关系式;通过搭建等效实验平台,实现了两物质的单输入-单输出、高灵敏度、快速同步识别与连续独立检测。构建了一种基于多体内共振的多痕量物质同步识别与连续检测机制。本文提出了“山”形耦合悬臂梁结构,推导了多体内共振系统的一般化理论模型及其稳态运动方程。采用谐波平衡法推导了幅频特征点的三物质传感理论关系,数值验证了多种痕量物质的单输入-单输出、高灵敏度、快速同步识别与连续独立检测的可行性和有效性。