近年来,人类社会及工业生产的飞速发展,在环境监测和生化医学等领域的雾霾、流感等问题变得日益突出,严重威胁着人类的身体健康和生活质量。因此,实现对有害气体分子、细菌、病毒等微小质量的高灵敏度检测,对于预防疾病、改善人类生活具有重要的意义。随着MEMS技术在传感检测领域的广泛应用,微悬臂梁传感器由于具有灵敏度高、体积小、结构简单、成本低和易于集成等优点,在微小质量的传感检测领域中具有广泛的应用前景。传统的悬臂梁利用频率偏移的方法,难以满足对微小质量的高灵敏度检测要求。因此,本文研究了基于模态局部化的耦合悬臂梁质敏机理,提出了基于振幅变化的灵敏度评价新方法,实现了高灵敏度皮克级质量检测。建立了耦合悬臂梁结构的弹簧-质量-阻尼模型,分析了系统的模态局部化振动特性,研究了外界扰动对系统谐振特性的作用机制,提出了基于振幅变化的灵敏度评价新方法,通过理论分析表明系统的耦合因子κ(=k_c/k)越小,灵敏度越高。提出了可反映耦合悬臂梁结构振动能量分布不均匀程度的模态局部化参数,实现了对模态局部化程度的量化分析。研究了耦合悬臂梁结构受到质量扰动时,耦合因子与转向曲线的关系,发现耦合因子越小,转向点区域的模态变化越剧烈,悬臂梁的振幅变化越明显,有利于提高微小质量的检测灵敏度。通过设计优化耦合悬臂梁结构,实现系统的弱耦合。通过分析质量扰动对耦合悬臂梁结构谐振特性的影响,研究了感应梁对振幅变化的作用机理,确定了边梁(No.3梁)作为感应梁以增大振幅变化。研究了单独激励非感应梁和整体激励耦合悬臂梁结构等激励形式对系统模态局部化及振动响应的作用机理,分析了不同的激励形式对系统谐振频率、振动模态和振幅变化的影响规律,进而确定了整体激励作为实验方案的激励形式,以获得较大的振幅变化,提高灵敏度。设计了MEMS工艺并加工制作了耦合悬臂梁结构,搭建了实验测试平台。在感应梁的自由端成功施加了8.8pg的两个聚苯乙烯微粒作为扰动质量,通过实验分析实现了耦合悬臂梁结构对皮克级质量变化的检测。通过仿真进一步探究了耦合悬臂梁结构谐振特性随扰动质量的变化规律,研究了基于振幅变化的灵敏度及线性范围,其灵敏度相比传统的频率变化提高了2~4个数量级。本文的研究工作,对于应用耦合谐振子结构实现微小质量的高灵敏度传感检测具有一定的指导意义。