微机械振荡器由于其优异的IC兼容性以及小尺寸等特点被广泛应用在移动电子设备中,并将在未来物联网及智能城市的大潮中扮演举足轻重的角色。在向小型化、高精度发展的同时,由于尺度效应的影响,微机械振荡器中的非线性愈发显著。合理地利用一些非线性效应可以克服其带来的不利影响,甚至突破线性情形下的性能极限。非线性同步现象是上述效应中的一种,广泛存在于自然界中。本文基于非线性微机械振荡器研究同步的基本性质,以及同步对振荡器响应的影响机理,并最终利用此现象提升振荡器以及传感器的性能。全文分别从非线性振荡器与外激信号同步、多个振荡器间的互同步以及同步的应用三大块内容着手,围绕同步区间的调控、频率稳定性的提升、同步频率与幅值的依赖关系和远程同步放大传感四个方面的问题,理论结合实验进行了研究,主要包括:1.研究了非线性微机械振荡器与外激信号的同步问题,揭示了外激扰动信号对同步带宽和频率稳定性的影响规律,给出了同步带宽和阿兰方差的近似解析表达式,能有效预测同步带宽和频率稳定性随扰动信号的变化趋势;2.首次揭示了闭环反馈相位延迟对同步带宽的调节机制,理论和实验上给出了同步带宽位置和大小随相位延迟的变化关系,建立了相位延迟和幅频响应滞回区间的对应关系,利用相位延迟可以实现可同步区间的10倍放大;3.研究了同步过程中幅值与频率的变化关系,发现了同步后线性振子幅值随频率的非线性依赖,而非线性振子幅频的线性依赖等反常现象,并利用理论分析和实验对这些反常现象进行了解释;4.研究了多个非线性微机械振荡器的高阶互同步,基于压阻法的频率调控方法实现了多个自激微机械振荡器间的同步,探究了互同步过程中同步带宽和振荡器频率稳定性的影响因素,揭示了互同步时振荡器幅值和频差变化关系以及耦合同步系统中的频率敏感特性;5.依据同步锁频现象首次提出了远程同步放大传感机理,设计了同步放大传感系统原型并进行了实验验证,研究结果显示利用同步放大电荷传感器(静电计)的灵敏度能够提高9倍,同时其频率稳定性可以提升3倍。本文为微机械振荡器及传感器的设计提供了新思路。