Pietsosähköinen toimilaite on sähkömekaanisen mikro-ohjausjärjestelmän muoto. Se perustuu pietsosähköiseen vaikutukseen joidenkin kiteiden kanssa siten, että kun sähkökenttä kohdistetaan kiteeseen, se aiheuttaa rakenteelliseen hilaan mekaanista rasitusta, joka voidaan muuntaa liikkeeksi mikrometrin tai nanometrin asteikolla. Toimilaitetyypit voivat vaihdella raskaista teollisuusjärjestelmistä, joita käytetään pneumaattisella tai hydraulisella voimalla, pieniin pietsosähköisiin toimilaitteisiin, joiden liikealue on hyvin rajallinen, mutta tarkasti hallittu. Tyypillinen pietsosähköinen toimilaite tuottaa pituussuuntaista liikettä, kun akselin tai muun mekaanisen vivun yksikköön kohdistetaan sähkövoimaa, jonka siirtymäalue on noin 4-17 mikronia (0.0002 – 0.0007 tuumaa). Tämäntyyppinen toimilaitejärjestelmä on usein sisällytetty venymämittariin, joka tunnetaan myös nimellä ekstensometri, jota käytetään materiaalien ja pintojen erittäin supistumisen ja laajenemisen mittaamiseen.
On olemassa kolme yleistä pietsosähköisen toimilaitteen mallia tai liikekaaviota, jotka määrittävät laitteen mekaanisen liikkeen muodostavan pietsosähköisen toimilaitteen osien ainutlaatuisen valikoiman. Nämä ovat sylinterimäisiä, bimorfisia ja unimorfisia tai monikerroksisia toimilaitteita, ja jokaisella on myös toimintatila, joka riippuu indusoidun mekaanisen rasituksen pietsosähköisen kerroimen tyypistä. Monikerroksinen 33-toimintatila on suunniteltu tuottamaan liikettä käytetyn sähkökentän reittiä pitkin, kun taas lieriömäinen 31-moodilaite liikkuu kohtisuoraan sähkövoimaan nähden. 15-toimintatilainen toimilaite käyttää leikkausjännitystä kiteessä diagonaalivoimaksi, mutta ne eivät ole yhtä yleisiä kuin muun tyyppiset pietsosähköiset toimilaitteet, koska leikkausjännitys on monimutkaisempi kidereaktio, jota on vaikea hallita ja jota varten voidaan valmistaa järjestelmiä.
Pietsosähköisen toimilaitteen käyttötarkoitus perustuu yleensä siihen tosiseikkaan, että sillä voi olla mekaaninen vaste sähkövoimalle sekunnin murto-osassa, eikä se voi aiheuttaa merkittäviä sähkömagneettisia häiriöitä sen toiminnassa. Tämä sisältää yleisen käytön viritettävien lasereiden komponenteissa ja erilaisissa adaptiivisissa optiikka-antureissa sekä venttiilien mikrotason ohjauksen, jossa polttoaineen virtausnopeus on kriittinen syntyvän työntövoiman kannalta, kuten polttoaineen ruiskutusjärjestelmissä ja ilmailutekniikan ohjaimissa. Pietsosähköisellä toimilaitteella on myös monia käyttötarkoituksia lääketieteen alalla, jossa se on sisäänrakennettu mikropumppuihin esimerkiksi dialyysi- ja automatisoituja lääkeannostelijoita tai pisara-annostelijoita varten. Tutkimusalueet ovat riippuvaisia myös pietsosähköisestä toimilaitteesta, kuten missä se on olennainen osa atomivoimamikroskooppia (AFM) nanotekniikan alalla.
Muita kehittyneitä tutkimusaloja, joissa käytetään pietsosähköistä toimilaitetta, ovat tarkkuuskoneistus, teleskooppien tähtitieteelliset ohjaimet, bioteknologian tutkimus sekä puolijohdetekniikka ja integroitujen piirien valmistus. Jotkut näistä kentistä vaativat pietsosähköisen toimilaitteen, joka voi ohjata liikealueita 2 mikronin (0.0001 tuumaa) tasolle alle 0.001 sekunnin aikana. Pietsosähköinen toimilaite on optimaalinen laite myös tällaisiin sovelluksiin, koska sillä on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten erittäin pieni virrankulutus, se ei aiheuta magneettikenttiä ja se voi toimia kryogeenisissä lämpötiloissa. Luultavasti laitteen suurin hyödyllinen ominaisuus on kuitenkin se, että se on puolijohdelaite, joka ei vaadi vaihteita tai laakereita, joten sitä voidaan käyttää toistuvasti jopa miljardeja kertoja ilman näyttöä suorituskyvyn heikkenemisestä.