原子钟是目前最精确的计时仪器和频率标准，在天文、航空航天、卫星定位与导航、通信、守时与授时和物理科学等方面发挥着重要作用。然而由于其庞大的体积、高昂的成本和极大的功耗限制了其应用范围的进一步扩展，原子钟的微型化将对以上应用领域产生深远影响。相干布局数囚禁(CPT，Coherent Population Trapping)原理的研究和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术的发展给原子钟的小型化带来了希望，被动型CPT原理的原子钟由于系统中由于不再需要微波谐振腔而成为原子钟微型化的主要对象。　　碱金属蒸汽腔是原子钟物理系统的核心部件，本论文采用MEMS工艺结合原位反应法成功实现了碱金属(87Rb)蒸汽腔的制作。针对原位反应法中产生的杂质影响光路的问题，设计了双腔结构的透射式铷蒸汽腔，使得反应后的杂质留在反应腔中，而Rb元素则通过两个腔体之间的微通气槽扩散到光路中的Rb原子腔中。论文中详细介绍了双腔结构Rb蒸汽腔的制作工艺流程;对阳极键合工艺的气密性进行研究，采用氦气检漏测得Rb蒸汽腔的漏率约为8×10-9 atm·cc/s，有较好的气密性;搭建了Rb蒸汽腔的桌面测试平台，并对87Rb元素的光学吸收谱线、鉴频信号及频率纠偏信号在桌面测试平台中进行了测试。　　利用目前制作完成的透射式铷蒸汽腔，进行了微型CPT原子钟物理系统的集成封装。微光路元件按照透射光路在垂直方向进行集成，并将铂(Pt)加热电阻和热敏电阻集成制作在铷蒸汽腔两侧和激光器周围，整个微光路部分采用导热系数非常低的聚四氟乙烯(PTFE)柱进行支撑，以降低系统的功耗，在微光路周围安装一个磁场线圈，整个物理系统封装在一个低成本的可伐合金管壳内，制作完成的堆叠式物理系统的体积约为2.8cm3;为了进一步降低系统的功耗，对聚酰亚胺的悬挂结构和制作工艺进行了研究，实现了悬挂式的微型原子钟物理系统。　　搭建了桌面原子钟测试平台，将堆叠式的物理系统接入到桌面测试平台中，实现了桌面原子钟的整机频率锁定。在桌面测试平台中，对该物理系统的频率纠偏信号、频率稳定度及物理系统的热学特性等进行了测试，实验结果表明，当铷蒸汽腔工作在100℃时，VCSEL的温度约为80℃，物理系统的短期稳定度约为7.0×10-10τ-1/2，整个物理系统的功耗小于200mW。　　针对目前采用MEMS技术制作的碱金属蒸汽腔中“激光-原子”相互作用光程受制于硅片厚度，很难通过再增加硅片厚度进行延长的问题，本论文提出了一种创新的反射式光路的原子钟物理系统和槽型腔结构的铷蒸汽腔，利用硅片湿法腐蚀的各向异性在槽型腔内制作镜面，使得光路平行于硅片表面在槽型腔内传播，从而根据需要设定任意长度的光程，进而提高芯片原子钟的稳定度。论文采中用MEMS工艺实现了槽型腔结构的Rb蒸汽腔的制作，对关键的反射镜面的制作进行了研究讨论，并设计了槽型腔结构的铷蒸汽腔的封装方案。　　对碱金属蒸汽腔芯片的制作方法进行了创新性探索。分别提出了CO2激光封堵玻璃孔的方法、Si孔封堵方法和激光键合的方法进行碱金属蒸汽腔的密封，上述方案中，首先利用MEMS加工技术制作出预成品，直接充入碱金属和缓冲气体，然后在其氛围中采用上述方案进行密封。这种方案均具有操作简单、便于批量化制作等优点。对上述三种方案进行了可行性研究，目前尚未能够采用上述方案完成碱金属蒸汽腔的制作。