以硅半导体材料技术制作的各种光有源及无源器可有效实现高度集成化，为突破光器件的瓶颈带来了希望。除光通信系统、光信息处理等方面，硅基光学微腔以其较小的模式体积和高品质因子等特性，在环境监控、重大疾病早期预防和生化安全等领域也得到了广泛地关注和发展。然而时下常用的微纳光学耦合机制存在着耦合条件苛刻、工艺精度要求较高、结构稳定性差、制备成本较高或耦合效率较低等弊端，限制了光学回音壁谐振腔在生物医学和生化传感等领域的商用化进程。本文针对上述问题，从仿真建模计算和实验等多角度证明了端面入射的直接耦合机制的可行性，并基于这一机制开展了一系列温度和折射率传感实验。本文完成的主要工作如下：　　基于光学回音壁微腔理论，给出了包括谐振波长、品质因数、模体积和损耗机制在内的多项微盘传感器参数，并对片上微盘传感器的基本工作原理和性能指标进行了探究。　　针对实验中使用到的顶层硅厚度为220 nm和340 nm的两种二维均匀光栅耦合器，本文利用有限差分波束传播法分别对其参数进行了仿真建模计算优化和实验验证。针对端面入射耦合机制的工作效率，本文使用有限时域差分方法（FDTD）进行了仿真计算，满足了较为高效的耦合需要。　　探究了基于SOI材料的微纳光学结构制备工艺，以及用于导流和定向定位传感的PDMS微流通道的制备方案，实现了实验中微流通道与晶片的有效封装。　　基于上述端面耦合机制，本文制备了包括圆形微盘在内的片上光学结构，利用结构反射光谱中品质因数较高的模式进行了一系列温度和溶液折射率传感实验，根据收集到的实验结果分析了传感系统灵敏度和探测极限等相关参数，并开展了验证性实验。　　基于端面入射的直接耦合机制在保证了较高耦合效率的基础上，可以激发出微盘谐振腔中很多品质因数较高的模式，同时其具有制备工艺较为简单成熟，耦合条件限制较小和结构较为稳定等优势，有望在生化传感和环境监测等热点领域发挥极大的应用潜能。