本发明公开了一种基于非线性域模态耦合的传感器灵敏度提升方法及系统，该方法利用谐振器中至少两个振动模态之间的耦合特性，将两模态中的第一模态作为频率输出模态，第二模态作为腔模态来敏感外界待测变量。为了激发第一模态与第二模态之间的耦合特性，该方法需要施加至少一个泵浦。同时，为了提升传感器的灵敏度，该方法需要将第一模态的振动状态激发至非线性振动区域，将第二模态的高枝频率作为最终输出，并可以采用锁相环对第一模态进行相位闭环控制，实现频率的快速采集和测量。本发明应用于频率输出型传感器，可以提升频率输出型传感器的灵敏度，无需引入其他辅助器件，具有易于操作、便于集成、稳定可靠、应用范围广等优势。