太赫兹波具有优异的电磁特性,如高穿透性、大带宽、和非电离性等,因此受到国内外科学家广泛关注,其相关技术在信息与通讯技术和空间科学等领域起到了重要作用。而且,生物化学分子在此波段展示出丰富的特征指纹谱,这促使太赫兹检测技术作为高效的检测工具,应用于光谱学、环境监测、安检、医学成像和生物传感等方面。然而,检测低浓度生化溶液和亚波长尺度物质时,太赫兹检测技术则会因为灵敏度低而不能满足需求。超材料的谐振响应灵活可调,而且谐振激发时入射电磁场在超材料内亚波长尺度上呈现局域增强,可用于放大太赫兹检测的信号。因此太赫兹超材料传感成为新型高灵敏度无标记、无损检测的有效方案,利用丰富的超材料设计增强太赫兹传感灵敏度也成为了太赫兹技术领域的研究热点之一。在深入研究现有太赫兹超材料传感的理论和应用的基础上,本论文不仅提出立式开口环超材料作为新型太赫兹传感器的构想,而且还设计了超材料同时测量物质双重属性的传感方法并优化了超材料吸波器的制备流程,旨在实现高灵敏度和高效的太赫兹超材料传感。本论文主要的研究成果和创新点如下:1)深入分析了各类太赫兹超材料传感器的传感机理,探索了限制传感性能提升的主要因素。为了获得高灵敏度的传感性能,提出一种立式开口环超材料传感器的构想。在该超材料设计中,谐振增强的传感区域在竖直方向上被提高,使谐振场集中区域远离基底,降低了基底接触带来的损耗,从而增强了传感性能。2)提出一种立式双开口环超材料结构,并设计了基于此结构的太赫兹传感器。理论分析了此超材料的谐振特性以及基于此超材料结构的传感性能,揭示了潜在的物理机制。结果表明,双开口环设计保持了结构对称性,消除了谐振器的双各向异性响应,实现了 Q值约为20的谐振。而且,立式双开口结构中的顶部开口远离基底,降低了基底接触带来的介电损耗,极大地增强了传感器的性能,其最高灵敏度可达788 GHz/RIU。另外,此三维太赫兹传感器对制备误差和广入射角度不敏感。3)提出一种在立式双开口环超材料中引入结构非对称性,激发暗谐振模式的构想。并用数值模型拟合和对比分析的方法对谐振的激发和混合过程进行了探索,揭示了其物理内涵。结果表明,光谱中的Fano线型的形成是因为灵活可调的暗模式与其他谐振发生了谐振混合,使得谐振线宽被压窄,在1.93 THz处获得Q值为327,线宽为5.9 GHz的窄带谐振。除了高Q谐振外,此非对称立式双开口环超材料兼具立式开口环设计固有的高灵敏度,故其综合传感性能优良。4)仿真分析了立式开口环超材料中普遍存在的低阶和高阶磁谐振模式的光谱特性和电磁场分布特征。结果表明,在特定的入射偏振下,此类立式开口环超材料中均可以激励出这两种磁谐振模式,这是由立式开口环谐振器特殊的几何构型决定的。另外,数值分析了立式单开口环超材料的传感潜力,其传感性能弱于立式双开口设计。5)提出一种利用超材料吸波器同时测量物质的折射率和电导率的算法。该算法运用三次数学拟合得到了频谱响应变量（谐振频移和振幅调制）与待测物质的折射率和电导率的非线性方程组。利用谐振频移与折射率的线性表达式,求解方程组得到了待测物质的双属性关于频谱响应变量的表达式。选择简单的超材料吸波器进行仿真分析,结果表明其最大误差百分比只有0.83%,证明了算法的准确性和可行性。6)优化了超材料吸波器的传统制备流程。新的制备流程简化了制备过程,且制备的超材料吸波器在保持原有的吸收性能的基础上,兼具更优良的传感性能。两个常见的超材料吸波器设计作为实例,分别从吸收和传感性能两方面对比了传统和新式超材料吸波器,并用仿真分析解释了对比结果。结果表明,传感性能的增强是因为新式超材料吸波器可暴露了更多的谐振场,与待测物质发生充分的耦合。另外,这种新式制备方法还可用于制备复杂结构的超材料吸波器,且对制备误差不敏感。