石英谐振器在力作用下具有显著的力敏效应,可以作为传感器的敏感元件,应用于现代数字式测控领域。但由于温度变化等因素引起的频率漂移,以及石英晶体谐振器力灵敏度偏低,使这类谐振器在力(或应力)检测控制领域的应用受到限制。为了进一步提高石英谐振器的力频敏感特性、拓宽石英谐振器的应用领域,本文打破传统石英晶片上单对电极构成的谐振器的设计方法,提出并设计了一种新型的多电极集成式石英力敏谐振器集群。根据压电晶体理论及石英各向异性特点,在研究石英压电特性、振动特性、弹性波传播特性、电极质量效应、晶片内的应力分布等与谐振器谐振频率关系的基础上,对同一石英基片上的谐振器集群的力频敏感机理、频率稳定性、温度频率特性以及应用探索等方面进行了研究,对后期的应用开发奠定了基础。首先,根据晶体振动的能陷理论,推导了石英晶体厚度剪切振动能量的近似分布方程,得到了能量分布曲线,为同一圆形晶片上设计多个独立谐振器集群并消除相邻谐振器的谐振频率互锁效应提供了设计依据;其次,通过有限元分析(FEA)方法构建了石英晶体谐振器集群的三维有限元分析模型,对石英晶体谐振器集群的能陷效应和寄生振动干扰进行直观的分析,以此指导谐振器集群结构参数的优化设计。在以上工作的基础上,设计了不同结构参数的石英谐振器集群,测试了石英晶体谐振器集群的阻抗特性、电气参数、频率稳定性、以及温度频率特性,设计出性能优良的石英谐振器集群。在大气环境条件下,频率稳定特性达到10-10数量级,频温特性可以用三次曲线描述并且一致性较好。通过弹性力学方法理论推导和计算了石英晶体薄圆片受径向力作用时片内各点的应力分布,对圆盘式石英谐振器集群力频敏感特性进行了详细研究。实验结果表明不同位置的谐振器工作时,力敏特性差异较为明显,圆盘式石英谐振器集群力敏特性明显优于传统的单电极谐振器,石英谐振器集群中单个谐振器的力灵敏度系数最高可达1672 Hz/N。运用现代电子技术、信号与信息处理技术,设计并实现了谐振器集群信号的处理与融合。根据共模抑制原理,将谐振器集群输出频率信号作差频处理,以此抑制温度等因素的干扰,再将差频信号叠加以提高石英晶体谐振器集群整体力敏特性,经过石英谐振器集群的谐振器之间差频并且叠加求和,谐振器集群整体力灵敏度系数达到7333 Hz/N。为石英谐振器集群应用提供了良好的基础。基于石英谐振器集群研制了一种数字式倾角传感器和加速度传感器样机,测试了它们的工作性能,经过后期完善可以应用于飞行器、舰船、塔架等军民姿态测控领域。