二次離子質譜是表面分析中應用最廣泛的技術之一。Sims可以獲得材料表面單原子層的元素資訊，具有很高的元素檢出限（高達ppm甚至ppb）。在高真空條件下，具有一定能量幾百至幾萬EV的初級離子束轟擊待分析材料表面，導致材料表面原子、原子團簇或分子的二次發射，即離子濺射。然後，用質譜儀檢測濺射的帶正負電荷的二次離子的質量電荷比，從而獲得樣品表面的元素組成。

從理論上講，Sims還可以檢測包括氫及其同位素在內的所有元素的低濃度半定量分析。二次離子質譜還可用於分析有機化合物的分子結構，因為飛濺的二次離子含有原子團、官能團或分子。目前，Sims技術已廣泛應用於半導體微電子、化學、生物、材料、礦產、醫藥等領域，特別是在半導體工業中。

SIMS的主要工作模式分為靜態SSIMS和動態DSIMS。靜態SSIMS模式為了獲得材料表面單層原子的元素資訊以較低的離子束能量和束流密度連續穩定地轟擊材料表面，在靜態模式中，TOF探測器是目前表面分析技術中解析度和靈敏度最高的組合，它的解析度可達104，深度解析度達1nm，微區解析度可達100nm2，二次離子濃度靈敏度可達ppm級。動態DSIMS相比靜態SIMS模式它的離子束能量和密度比大得多，所以它的破壞性也更大。DSIMS模式意味著離子束濺射和質譜同時交替進行，在一定濺射速率和濺射時間下，對樣品不同深度的元素或基團組成進行了動態分析。

如今，SIMS因其極高的靈敏度和特殊性而主要被應用於半導體材料和元件的檢測中，微源檢測的德國ION-TOF先進TOF-SIMS儀器檢測可以提供完善的二次離子質譜技術解決方案。下圖即為一種半導體膜層結構材料的深度剖析曲線圖和三維空間成像圖。從圖中可以直觀地看到不同深度下元素的摻雜變化情況，也可以根據濺射時間和濺射速度推出不同膜層的大概厚度。