随着“中国制造2025”战略的推进和物联网应用的发展，传感技术得到了亘古未有的重视，更迎来了千载难逢的发展机遇。基于微纳加工工艺的新型生物、气体和光学等智能传感是当前传感技术研究的重点。超材料是一类具备自然界中天然材料所不具有的超常物理性能的人工复合材料，基于超材料的传感技术具备小型化、灵敏度高、结构简单和灵活度高等优势，在生物、气体和光学领域展现出广阔的应用前景，符合当前传感技术的发展趋势。
　　论文面对“中国制造2025”和物联网对新型生物、气体和光学等智能传感的需求，从微波、太赫兹和红外光学三个波段入手，开展了超材料传感技术在生物、气体和光学领域中的应用研究。论文从描述电磁场的麦克斯韦方程组出发，阐述了超材料在电磁场中的理论基础，建立了集总元件等效电路模型和时域耦合模模型；设计、仿真和加工制备了用于生物传感的超材料试纸、双层互补式太赫兹生物传感器和用于气体传感的红外超材料多气体复合传感器；表征了所研制的超材料传感器的微观形貌；搭建了超材料传感器的测试平台；完成了超材料传感器在生物和气体传感上的性能测试；系统地分析了超材料传感器的测试结果和影响因素；讨论了超材料传感器对比其他类型传感器的传感优势。
　　本论文的主要工作和研究结果如下：
　　①从描述电磁场的麦克斯韦方程组出发，阐述了超材料在电磁场中的理论基础，讨论了超材料传感应用所涉及的电磁谐振特性，研究了电磁激励方式对超材料谐振特性的影响，建立了集总元件等效电路模型和时域耦合模模型。结果表明，集总元件等效电路模型适合于微波和太赫兹波段的超材料传感器的分析，时域耦合模模型适合于红外光学波段的超材料传感器的分析。
　　②研究了超材料在微波领域的传感应用，采用荫罩式掩膜沉积技术和喷蜡打印技术制备了超材料试纸。超材料试纸利用谐振器感应免疫层析组件所捕获的目标分子可以实现目标分子的检测。结果表明，超材料试纸的检测极限和灵敏度分别达到了0.784ng/mL和10.214MHz(ng/mL)，其中，检测极限比用裸眼判断的胶体金试纸高63倍（50ng/mL），其稳定性比用荧光素标记物的荧光试纸的稳定性高18倍。此外，超材料试纸避免了光学方法中自吸收、镜面反射和长期信号猝灭等干扰。
　　③研究了超材料在太赫兹领域的传感应用，采用光刻和电子束蒸镀工艺制备了双层互补式太赫兹生物传感器。传感器利用双层互补式超材料结构激发增强场可以高灵敏地感应场中分析物。结果表明，双层互补式结构可以提升传感器的灵敏度，互补式传感器的灵敏度比凸形传感器和凹形传感器的灵敏度分别高7到18倍。此外，传感器表现出很强的偏振不敏感性，并在±50°以上的宽入射角范围内可以保持高谐振状态。此外，互补式太赫兹生物传感器具备监测链霉亲和素和生物素结合的状态能力，检测生物素的灵敏度达到153GHz/μM。
　　④研究了超材料在红外光学领域的传感应用，利用步进扫描光刻技术和离子束刻蚀技术加工制备出红外超材料多气体复合传感器。红外超材料多气体复合传感器利用表面增强红外吸收效应和金属有机框架功能材料可以实现更高性能的气体检测能力。结果表明，红外超材料多气体复合传感器可同时对CO2和CH4进行片上传感，其响应时间短（＜1分钟）、精度高（最大误差：CO2：1.1%，CH4：0.4%）、探测极限高（CO2：80ppm，CH4：230ppm）和在宽浓度范围（0ppm至2.5×104ppm）中具有出色的线性。所介绍的方法十分灵活，可以通过设计更多的谐振和开发合适的金属有机框架来扩展传感器的检测气体的数量。