压电式质量传感器通过测量附着在传感器探测区表面的质量引起的结构谐振频率的变化来检测物质成分,在细菌和病毒等微生物检测、微小颗粒探测、气／液体成分和浓度测量等方面具有广泛的应用。对于微质量传感器,由于待探测物的质量变化极其微小传感器必须具有很高的灵敏度,因此需要研究传感器的谐振结构以提高传感器灵敏度的结构设计方法和新型传感器。随着无线传输技术与传感器的不断融合,使得新型微质量传感器在危化品泄露监测、环境污染及生物病毒检测等无人远程探测领域具有广泛的应用需求。由于探测环境的限制和实时探测的需求,集成无线传输功能的微质量传感器的信息探测性能除与传感器的探测灵敏度有关外,还与信息传输系统和接收灵敏度密切相关。因此,为提高信息传输质量,需要研究无线定向传输技术,研究实现定向传输的材料和结构。电磁超材料(包括左手材料,电磁带隙材料等)具有特异的波传播性质,在改进天线的定向传输性能和增益方面具有重要的应用前景。研发具有特异电磁性质的材料的构造技术以及在改进天线定向性设计中的应用技术具有重要的研究意义。在这些需求的牵引下,本文开展高灵敏度微质量传感器设计与制备技术,通过研究微质量传感器谐振梁截面形式对结构刚度与质量分布的影响,研究提高传感器灵敏度的方法,提出并制备具有高灵敏度的新结构形式的微质量传感器；为提高传感器信号的传输质量,研究可用于定向传输天线的具有左手性质或带隙性质的电磁超材料微结构的构造机理,研究定向天线的设计方法和技术以获得高质量信息传输的天线结构。本文主要研究内容和成果如下：(1)压电谐振式微质量传感器的灵敏度分析。分析了影响悬臂梁结构振动特性的因素,研究了描述传感器灵敏度的性能指标,提出几种改进传感器灵敏度的设计方法。(2)基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计与分析。提出了一种基于槽式截面悬臂梁结构的微质量传感器新构型,设计并制备了该构型传感器的样品；采用理论分析和实验测试详细分析了传感器的灵敏度,讨论了槽型截面参数、压电层厚度和延伸段长度等结构几何参数对传感器灵敏度的影响规律。结果表明该传感器具有比常规矩形截面传感器更高的灵敏度。(3)梯形变截面悬臂梁式微质量传感器的灵敏度分析。针对具有集中质量特性的被测物测量问题,提出一种变截面悬臂梁结构的微质量传感器,建立了梯形变截面梁的振动分析模型,采用有限元方法分析了影响变截面微质量传感器灵敏度的关键因素。实验和仿真结果表明,与等截面矩形悬臂梁式传感器相比,基于变截面的悬臂梁式传感器的灵敏度获得了显著提高,甚至达到263%,并且可以通过调整梁宽度沿轴向的变化率达到不同的灵敏度,充分验证了本文所提出的通过变截面实现提高传感器灵敏度设计方法的正确性和可行性。(4)设计并制备了基于高阶模态的微质量传感器。通过设计合适的压电层和弹性层厚度比,设计并制备了一种可以采用高阶谐振频率的偏移实现微质量检测的新型传感器。基于该方法设计了一种基于三阶谐振频率的微质量传感器,使传感器检测时很容易激励起第三阶模态,从而可实现基于第三阶频率变化的质量检测。研究了基于MEMS技术的大厚度比、真三维槽型微悬臂梁的制备工艺,并成功的制备出厚度为50微米的槽型真三维悬臂梁微质量传感器,实验并验证了所提出的设计方法和制备工艺的正确性和可行性。(5)基于传输线模型理论的左手材料微结构的构型设计与分析。提出了一种基于传输线比拟模型的左手材料微结构设计方法。首先根据已有的具有左、右手性质的基本传输线模型,通过类比构建了具有左手性质的新的传输线模型；进而采用微结构物理模型对每个元件进行等效,构造了一种可以在一定频段产生左手性质的微结构构型及其对应的传输线比拟模型；经过对设计的模型进行的数值仿真和实验测试,验证了模型的左手性质和其电磁性能；进一步提出了双频带左手材料的实现方法,并对双频带左手材料结构进行了设计,通过仿真验证了结构双频带确实存在。(6)特定频段磁谐振左手材料的构造与设计优化。以经典“巨”字形谐振器与Rod组合结构为基结构,建立了在给定频率附近具有最大带宽、较小损耗的左手材料设计优化问题的数学模型,并给出了设计实例。数值设计结果验证了优化模型的适用性和正确性。(7)基于电磁超材料的微带天线设计。为了提高信息传输的质量,提高微带天线的定向性和增益是天线设计中的关键问题。本文利用所提出的特定频率磁谐振材料的设计方法设计了一种二维负磁导率材料,并布置于微带天线的周边,构造了一种含负磁导率结构的微带天线。数值仿真分析表明,负磁导率材料的加入,大大提高了天线的增益和定向性。本论文工作得到国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB610304)和国家自然科学基金项目(11172052)的资助,在此表示感谢。