压电材料是工程师的工具包中最悠久的以材料为基础的元器件。1880 年，法国物理学家 Pierre Curie 和他的兄弟 Jacques 发现了压电效应。他们发现对一块晶体或陶瓷材料，甚至骨头上施加压力（压迫力）时，这些材料就会产生一种独特并可重复的电压，大小与压力强度成比例（图 1a）。不久之后，他们演示了相反的效应 — 当在晶体上施以电压时，晶体的大小或形状发生微小改变或变形（图 1b）。
这两项原理已经应用于许多应用领域；其中最出名的是将石英用作振荡器电路中的共振元素。压电材料也用作促动器，可在指挥下以精准的毫微米步伐移动，例如在从上到高端科学仪器下至大众市场消费性照相机的自动对焦等应用中用做微型马达。
图 1：压电效应具有两重特性：a) 在晶体上施加压力，令其产生电压；同时 b) 在晶体上施加电压会造成晶体变形，其变形关系可预测且可重复。（来源：Seiko Epson 公司）
甚至燃气烤架都具有压电物质，它使用内置晶体，当使用者旋转把手从而挤压晶体时，晶体会产生数百伏特的电火花。电火花点燃天然气并发出火焰（但电流强度非常低，不会造成电击）。
由于具有晶体结构，许多压电材料十分坚硬且能够经受很大压力而不改变基础特性或失效。因此，它们常用作传感器，感应压力相关的物理参数，这包括压力本身，以及它的相关表现：加速度、压紧、高度（气压）及振动。依据材料不同，这些传感器能够承受并工作的加速度为数千 g。
应变传感器等压电设备
作为基础传感器，基于压电的元件非常简单而坚固，但它具有电气独特的一面。由于天性电阻抗高，如果接口信号调节电路也有极高的阻抗，它仅能为电子电路提供足够强的信号。这种阻抗匹配是能量输送法则的结果，即电源的阻抗及其负载必须是复数共轭，以实现最大的能量输送。[请注意，相同的考虑因素也出现在其他环境中，包括驱动天线的射频功率放大器，或连接到低噪音放大器 (LNA) 的天线是无线系统。]
满足这些接口要求的方法之一是将压电传感器连接到内部结型场效应晶体管 (JFET)。这个独立设备通常拥有最低 1 GΩ (109 Ω) 的输入阻抗，以及进入高 kHz 甚至更高的带宽，高频率振动测量需要这个特性。尽管使用 JFET 是种可行的解决方案，但它只是整个接口–电路需求的部分答案。JFET 必须正确偏压，并且如果外界环境不可控或不稳定，通常需要额外的温度补偿，以确保准确度和稳定性。
因此，许多设计人员转而倾向于使用 Texas Instruments 生产的 TLV2771 系列（图 2）等高阻抗的运算放大器。这款 CMOS–输入运算放大器具有 360-mV 输入偏移电压，17 nV/√Hz 输入噪声电压和 2-pA 输入偏置电流 — 在将压电传感器用于医学、科学和工业应用中的高精确度、高分辨率测量时，这些规格与之十分相配。
图 2：Texas Instruments 生产的 TLV2775 CMOS-输入运算放大器适合用于信号调节前端电路，该电路用于压电感应器等高抗阻源。（来源：Texas Instruments）
尽管使用运算放大器的电路仍需要很多支撑构建，但整体电路设计更加简单且物理布局的重要性远低于仅基于 JFET 的布局。这很重要，因为高阻抗电路对于微妙的设计和布局问题非常敏感。
进一步考虑集成性时，另一种选择是使用采用 MEMS 技术将压电感应器及其相关电路装入单独封装的设备。Freescale MPL3115A2（图 3）是一款低功率、高准确度的测高仪、气压计和温度计并带有数字输出，封装在 3 mm × 5 mm × 1.1 mm 的设备中。完整设备包括压敏元件，模拟及数字信号处理和一个 I2C 接口，工作范围为从 50 到 110 kPa，分辨率为 20-bit。
图 3：基于压电的 Freescale MPL3115A2 压力传感器包括模拟前端、模数转换器和串行接口，以及温度传感器；它使用传统的多元件 Wheatstone 桥跨结构，以实现高灵敏度和准确度。（来源：Freescale Semiconductor）
作为使用内部数模功能和 I2C 接口的结果，它将关联的微控制器上的转换和计算负担降到最低。该元件专用于压力变化相对缓慢的信号 — 例如，由于天气和海拔变化而引起的改变 — 因此，并不需要会造成更大耗散损失的高转换速度和修正。MPL3115A2 的内部 12 位温度计可用于基础温度读数，当然，如有需要，还可用于进行传感器读数的温度校正。
该元件没有包含单独一个压电元件，而是使用了多元件 Wheatstone 桥跨结构。这款经典的传感器拓扑能够时限更准确地感应压力上相对微小的变化，且具有可重复性和准确度。带有集成电子的高度集成传感器等设备也用于内部胎压读数（最新车辆安全标准强制要求）等多种应用。
压电帮助获取能量
近年来，压电传感器发挥的用途与在测试和测算应用中作为压力感应的传统用途大为不同。在处于没有独立能源可用位置的系统中，和无法或不能更换电池的系统中，压电效应用作能量采集设计。
它们作为电能采集来源的应用与它们用作压力传感器的用途不同，其挑战在于精确而准确地捕捉微小的电信号。此外，这项挑战是按照需求捕捉、存储然后释放压电设备从任意外界振动产生的电能。在某种程度上，这些振动几乎来源于一切设备，包括路面、桥梁、地板、汽车甚至鞋。准确、精确、线性和温度诱致的漂移 — 数据采集性能的传统度量 — 在此都不具有相关性。具有相关性而是效率。
捕捉压电设备因振动输出的能量似乎是个不大的挑战，但并非如此。随机的能量喷发极小并很容易消失在所有低阻抗的电路泄露中或在捕捉/储存电路中损耗。从压电传感器捕获的任何电能必须仔细且立刻导向电池或电容等存储元件，以免消失。最后，存储的电能必须小心地分配并定量供给负载 — 收集器供电的真正电路 — 同时确保储存元件不会消耗太大，以至于花太长时间才能补满（将储存元件从低电状态重新充满具有其他效率和损失暗示）。
除了这些问题外，模拟和电源管理 IC 的供应商发现的机遇是基于压电的传感器可作为低成本、可靠、长期免费能量来源。例如，Linear Technology 公司的 LTC3588（图 4）专用于收集压电设备随机发出的低能量。它集成了低损耗、全波电桥整流器和高效率降压转换器，以构成完整的电能收集解决方案。
图 4：在能量收集中使用压电设备需要的接口与在用作压力相关数据源时的接口极为不同。Linear Technology 的 LTC3588 会捕捉振动诱发的随机能量喷发，把它们导向电容器等储存元件，随后管理负载汲取的电能。（来源：Linear Technology）
LTC3588 可解决“先有鸡还是现有蛋？”的难题。当尝试从随机源获取能量时，就会出现这种难题。这个窘境在于 — 除非相关 IC 本身拥有足够的能量进行工作，否则电路和储能元件无法俘获并留存获取的能量；然而在电路工作前，系统无法聚集能量。此外， 储能元件尝试“填充”时，负载可能耗尽它的能量，因此没有净累积。这类似于桶中的洞大到供水管灌入的水对灌满桶丝毫没有帮助。
LTC3588 内置的解决方式是使用超低静态电流欠压锁闭 (UVLO) 模式，配有宽磁滞窗口。这允许电荷聚集在输入电容器内而不被使用，直至降压变换器能够有效地将部分存储的电荷传输到输出端。对于负载轨，使用者可通过选择针，从四个输出电压（1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 3.6 V）中任选其一，并且 IC 可由蓄电池/电容器提供高达 100 mA，足以供应许多 IoT 设备的低宽频比/中等电流需求。为了跟上许多它所服务的采能供电数据收集及报告应用的极小型物理封装，LTC3588 提供细小的 10-导线 MSE 和 3 mm × 3 mm DFN 封装。
尽管在无数现有应用中已臻成熟，压电传感器仍在不断挖掘新用途。这些范围包括从胎压监控等基础的压力相关感应情形到在 IoT 应用中的能量收集等较新的应用。受到材料科学进步的激励，正在进行的研发工作正提供新的压电晶体材料，这种材料可提供不同的理想性能组合且成本会影响它们应用的扩大。在同适合的电子元件和电路结合时，压电传感器和转换器为设计人员提供了诱人的选项，以满足许多项目在输出、灵敏度、线性、强度、可重复性和成本上的要求。