表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）传感器具有高灵敏度、无需标记、可在线实时检测等优点,在医疗检测、食品安全、药物筛选、环境检测等诸多领域都被广泛的应用。提升SPR传感器的灵敏度和品质因数等性能,实现小分子化合物、超低浓度分析物以及微弱的分子间作用力的检测,是等离子体传感技术长久以来的研究方向。在总结了国内外SPR传感器的研究现状后,发现双曲超材料（Hyperbolic metamaterial,HMM）由于其特殊的双曲色散特性,具有可调的材料色散,支持高波矢传输等特点,能够有效提升传感器的性能。本文提出一种新型的基于金属/介质多层膜的双曲超材料的SPR（HMM-SPR）传感器,首先从理论上分析该传感器性能提升的原理,然后通过仿真计算出最优的传感器设计参数,最后依据最优化的设计结果制备出传感器的器件,并完成器件的性能测试。本文的具体研究工作总结如下:（1）基于双曲超材料增强的SPR传感器的理论分析。提出HMM-SPR传感器的等效介质理论模型,将等效后的双曲超材料的介电常数代入SPR的共振条件进行传感器灵敏度的理论计算,从理论计算研究了光束入射角、双曲超材料的组成以及金属填充比对传感器灵敏度产生的影响。（2）运用传输矩阵法的HMM-SPR传感器设计和优化。首先介绍传输矩阵法及相应仿真软件,然后通过仿真计算对入射光的角度、金属-电介质多层膜型双曲超材料的结构参数和组成材料进行优化设计。结果表明在折射率为1.33-1.34RIU的范围内,使用Ag和ZrO₂组成双曲超材料,在结构参数的金属填充比为0.5,材料对数为3对,单对材料厚度为30nm,传感器入射角为65°时HMM-SPR传感器具有最佳的性能,灵敏度最可高达64000 nm/RIU,品质因数为477.6 RIU^-1。（3）HMM-SPR传感器的实验研究。根据仿真的优化结果,利用真空镀膜技术,制备HMM-SPR传感器。在传感器的折射率测试实验中,折射率范围从1.331变化到1.343RIU,平均灵敏度达到16464.07 nm/RIU,平均FOM为106.48RIU^-1。与基于50nm金膜的SPR传感器相比,灵敏度提高了8.17倍,FOM提高了5.18倍。本文的创新之处:（1）本文提出利用等效介质理论与SPR共振条件相配合的方式对HMM-SPR传感器进行理论计算和灵敏度分析。该方法的优点在于通过简单的理论计算,快速地实现对不同情况的SPR传感器的灵敏度进行预判,达到理论分析与仿真结果进行相互印证的作用,有利于仿真设计的准确性。（2）本文提出的HMM-SPR传感器,利用了双曲超材料内部存在多个SPP及其色散可调控的特性提升传感器的性能。与普通的SPR传感器相比在灵敏度、半高宽、品质因数等性能上都有显著的提升。（3）本文提出的基于金属/介质多层膜结构的Kretschmann结构SPR传感器,相比于光栅型和纳米线型的双曲超材料传感器,制造成本更低,制作更加简单,器件可控精度更高,并有望能够进一步应用于光纤型传感器。