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水晶発振子とは、水晶の結晶を極薄い板状に切り出した切片の両側に金属薄膜を取り付けた構造をしたもので、それぞれの金属薄膜に交流電場を印加するとある一定の周波数（共鳴周波数）で振動する性質を示します。金属薄膜上にナノグラム程度の物質が吸着すると物質の質量に比例して共鳴周波数が減少するため微量天秤として利用することができ、このような方法論はQCM（Quartz Crystal Microbalance：水晶発振子マイクロバランス）と呼ばれています。
ある種の結晶では、機械的なひずみをかけると結晶内のカチオンとアニオンの相対的な位置関係が変化し、結果として両者の重心は一致しなくなり分極が生じます。この現象は圧電効果 (piezoelectric effect) と呼ばれています。これとは逆に結晶の上下に電極を取り付けて電圧を加えると、カチオンは負の電極へ、アニオンは正の電極へと移動するため、結晶はひずみを生じます（逆圧電効果）。これらの現象は 1880年にフランスの物理学者キューリー兄弟によって発見されました。水晶、ロッシェル塩、電気石などの結晶に見いだされていますが、その中でも特に水晶（石英 quartz ; SiO2）は、圧電特性、化学的性質、熱的安定性に優れていることが知られているため、最も用いられます。
水晶発振子は手軽で最も精度が高く安定した周波数が得られることから、逆圧電効果を利用したものでは、水晶発振子の振動を時間基準として利用したクォーツ時計だけでなく、携帯電話などの通信機器における通信周波数を作り出すための基準周波数として使われています。またコンピューターなど高速で信号処理を行う回路の基準発振源としてなど、様々な分野に周波数制御素子として身近で幅広く利用されています。 また、圧電効果の例としては、ライター・ガスコンロなどに使用されている着火式などがあります。ボタンを押す、または回転させカチッとさせることで圧電素子に機械的圧力を加えることになり、その結果、電気(火花)が発生して、着火させることができます。
水晶の結晶からAT-カットの角度で切り出した水晶板の両側に金属薄膜を取り付けて二つの電極に接続し、振動電場を印加することにより水晶発振子は一定の周波数で発振し続けます。この時、水晶板の金属薄膜上に存在する物質の質量に依存して周波数が変化します。この周波数変化が、電極上の物質の質量に比例していることが1950年代に報告されました。周波数の変化量と付着物質の質量との関係は、Sauerbrey式と呼ばれる次式で表されます。この式より、水晶発振子の周波数変化を検出することで、その電極上での物質の質量変化を計測できることになります。
このような逆圧電効果を利用して、水晶板の両面に電極を取り付けたものに電圧をかけてひずみを生じさせ、その後、印加電圧を解除すると、水晶板はずり運動を生じてから元に戻ります。この時の印加電圧を振動電場として面方向にひずむ、ずり方向運動の周期と同期させると、水晶板は発振子としてその水晶板のもつ固有の周波数で振動させることができます。
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水晶発振子は、以前は気相で使用するのが大前提でした。その理由は、①水晶板の振動が液相のように粘性の高い環境では強く減衰されてしまうために発振できないこと、②水晶発振子の構造が金属薄膜で絶縁体である水晶を挟んだ一種のコンデンサーであり、水中などでは両電極が通電してしまうこと などの問題点があったためです。しかし、1981年になると液相中でも発振できることが示されました。発振回路の改良や水晶発振子の片面を液相に触れないよう被覆するなどの改良があったことが、水晶発振子の液相での使用を可能にした要因でした。これらのことをきっかけに、水中におけるQCMとしての利用が著しく広まり、この10年間で化学、生化学、微生物学といった様々な分野においてQCMが使われるようになってきました。
さらに発振回路を検討することで、これまで水溶液中で発振させることが困難であった27 MHzという高周波基本周波数の水晶発振子を発振できるように改良しました。高周波QCMを用いることで検出感度が向上したため（1Hz = 30pg）、これまで変化量が小さく観察することが困難であった生体内の様々な分子（核酸、ペプチド、タンパク質、糖鎖、脂質単分子膜など）の相互作用の様子を経時的に周波数変化として検出できたことが数々の文献で報告されています。
