SIMS大致可以分为“动态二次离子质谱”（D-SIMS）"和“静态二次离子质谱“（S-SIMS）两大类。虽然工作原理上它们并无本质差别，但是两种模式的应用特点却有所不同。一次离子束流密度大小是划分两种模式的主要标准。一般在S-SIMS模式下，一次离子束流被控制在1013离子/cm2，常用飞行时间质量分析器，动态二次离子质谱就是一次离子束流高于10离子/cm2，常用双聚焦质量分析器。

　　SIMS操作模式可以分为质谱表面谱、成像模式、深度剖析等。 其中质谱模式质量分辨率最高，常用于鉴别各种材料中所含有的元素、材料中的掺杂、污染物中的成分等。二次离子质谱成像是指二次离子在二维平面上的强度分布，可以直观的显示成分的分布，获得元素离子、分子碎片或分子离子的形貌。深度剖析是指交替式地对分析样品表面溅射剥离和对溅射区域采集图谱，从深度剖析结果中可以得到不同成分沿深度方向的分布，可以得到样品深层或内部化学成分的三维图像，可以进行对材料或者生物组织微区成分分析。