原子钟自1949年出现以来，一直沿着高精度和微型化两个方向高速的发展。微型原子钟在通信、交通、电力、金融、军事国防、航空、航天以及基准物理量的测量等领域有着广泛的应用前景和应用需求。微型芯片级原子钟的广泛应用将会产生深远的甚至革命性的影响，将会带来良好的社会效益和经济效益。由于其广泛的应用领域和使用价值，芯片级原子钟的研究成为近年来各国科学技术研究的一个热点课题。芯片级原子钟是量子力学、波谱学、高频电路技术、MEMS技术、激光稳频技术等学科交叉的产物，是一个系统级的科研课题。 本论文围绕芯片级原子钟的理论、设计及气体腔的低温气密性封装等研究工作，分析比较了不同原子钟的物理工作原理及其性能；根据芯片级原子钟工作的相干布局囚禁(CPT)原理，提出了芯片级原子钟的温度、磁屏蔽、激光稳频和气体盒设计，为进一步开展芯片级原子钟的实验研究提供了技术方案；针对芯片级原子钟的关键部分，本文应用MEMS工艺进行了Cs／Rb微型蒸汽腔的圆片级低温气密性封装设计与工艺实现，完成了气体腔的气密性、剪切强度、热循环可靠性测试；最后结合简化渗流模型，对于封装的气密性进行了理论计算与讨论。测试表明，通过苯并环丁烯(BCB)材料实现的250℃时硅-硅、硅-玻璃键合的气密性要优于300℃阳极硅-玻璃键合样品和相关标准一个数量级以上；剪切强度和成品率也完全达到了MEMS器件的封装要求；温度热冲击循环后，样品的气密性和剪切强度没有明显变化。这表明应用苯并环丁烯(BCB)材料键合是一种较理想的圆片级低温气密性封装方法。这一研究为芯片级原子钟的深入研究提供了有价值的实验结果。